【摘要】：幾十年來,低損耗等離激元材料由于在光電器件、光檢測和亞衍射成像等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值,引起了廣泛關(guān)注。其中鈉具有較低的金屬損耗,長期以來一直被認(rèn)為是優(yōu)良的等離激元材料。但是,由于其高化學(xué)反應(yīng)活性,很少被人們研究。我們通過簡單的旋涂工藝制備出基于鈉的等離激元結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了低的光學(xué)損耗。同時(shí)我們采用獨(dú)特的三維二氧化鈦(TiO2)/金(Au)多孔結(jié)構(gòu)研究了基于羅丹明B(RhB)的光催化降解,通過實(shí)驗(yàn)解釋了不同波段入射光對(duì)等離激元光催化的作用。本文的主要研究內(nèi)容如下:1.通過將超光滑的石英襯底旋涂、退火和自清潔處理的步驟,制備得到的鈉膜(與石英沉底接觸)表現(xiàn)出極低的光學(xué)損耗,并且相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)銀鏡,反射率100%,這與理論分析和數(shù)值模擬表現(xiàn)出良好的一致性。作為直接的證明,我們測量了基于鈉的納米結(jié)構(gòu)的表面等離激元傳播長度,在1180 nm波長激發(fā)下,傳播長度超過100 μm。優(yōu)異的等離激元性能與高度可擴(kuò)展的制造工藝相結(jié)合,使得金屬鈉成為有前途的候選材料,可作為超越傳統(tǒng)貴金屬的低損耗等離激元材料。2.選用具有低光學(xué)損耗的非貴金屬鈉作為反射式等離激元濾波器。通過合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)以及精細(xì)控制離子束的物理刻蝕,實(shí)現(xiàn)了周期性的鈉納米結(jié)構(gòu),最低測量反射率約15%以及半高寬約20 nm,與貴金屬結(jié)構(gòu)相當(dāng)。全波段數(shù)值模擬表明,有利于窄帶結(jié)構(gòu)色過濾的尖銳光學(xué)模式可歸因于雜化腔表面等離激元模式。為了展示完整的結(jié)構(gòu)色圖譜,我們通過梯度調(diào)控周期和孔直徑,在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了一系列鈉納米盤。測量的角分辨反射光譜展示出濾波器不僅是窄帶而且在可見光范圍內(nèi)也是角度不敏感的。我們的鈉基反射等離激元顏色濾光片可為成像、顯示和傳感應(yīng)用提供一個(gè)可供選擇的途徑。3.采用三維TiO2-Au多孔結(jié)構(gòu)探究了羅丹明B(RhB)的光催化降解的機(jī)理。從紫外到近紅外的高效測量吸收率展示了寬譜吸收能力和光催化能力,其中直接帶隙躍遷、等離激元敏化作用以及等離激元光熱效應(yīng)都有利于光催化反應(yīng)。通過對(duì)光的不同波段進(jìn)行過濾,實(shí)驗(yàn)表明,等離激元增強(qiáng)和等離激元光熱效應(yīng)可以促進(jìn)光催化降解RhB的速率提升30%以上。我們的結(jié)果有助于提高對(duì)波長選擇的等離激元增強(qiáng)光催化過程的理解。
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TB383.1;O441
【圖文】：

一１．１引言逡逑在過去的幾十年里，信息處理的速度隨著微電子和納米電子器件尺寸的減小逡逑速增長。然而，研究人員在使用這種縮放方法達(dá)到幾十吉赫茲以上速度時(shí)面臨逡逑著困難，相比之下，光子學(xué)能夠提供太赫茲范圍內(nèi)的帶寬［１］。傳統(tǒng)的光子元件，逡逑如光纖，由于衍射極限限制，需要的物理尺寸與光的波長（大約一微米）在一個(gè)逡逑量級(jí)。納米尺度電子器件和微米尺度光子元件在物理尺寸上的差異導(dǎo)致了這兩種逡逑器件之間的不兼容性。等離激元融合了光子學(xué)提供的高帶寬和納米電子學(xué)提供的逡逑納米集成，將光子能量與自由電子氣體耦合，形成一種亞波長振蕩模式。由于等逡逑離激元器件能夠突破亞波長限制，因此等離激元成為納米光子學(xué)研究領(lǐng)域的基礎(chǔ)逡逑（圖］．１邋）邋［２］0逡逑ＰＨ／－＇逡逑

為了減小光學(xué)特性對(duì)入射角的依賴性，在基于高吸收媒介的納米腔中使逡逑用折射率高、千涉效應(yīng)強(qiáng)的材料來減少對(duì)結(jié)構(gòu)的折射，金屬納米結(jié)構(gòu)中的相位補(bǔ)逡逑償和局域共振被廣泛研究［３６］。我們利用圖１．４的反射式顏色設(shè)計(jì)來闡述原理［３７丨逡逑５逡逑

邋邐ｍ．ｙ逡逑圖１．４邐（ａ）反射式Ｆ－Ｐ顏色濾波器原理圖；（ｂ）不同ＳｉｓＮ４厚度（ｄ邋＝邋１０８，８０和５４邋ｒｎｎ）逡逑時(shí)，實(shí)驗(yàn)測得的ＣＭＹ顏色濾波器的反射光譜；（ｃ）ＣＭＹ顏色器件的ＳＥＭ和光學(xué)照片，器件尺逡逑寸約邋２邋ｃｍＸ２邋ｃｍ丨３７｜逡逑圖１．４ａ描述了利用Ｆ－Ｐ共振的原理圖氮化硅（Ｓｉ３Ｎ４）和銀（Ａｇ）分別作為逡逑腔體媒介和反射鏡。在結(jié)構(gòu)色顏色濾波器設(shè)計(jì)中，銀作為金屬鏡被廣泛選用，因逡逑為其在可見光頻率下具有低的吸收損耗。通過選擇一個(gè)合適的腔長度（ｄ）來產(chǎn)逡逑生Ｆ－Ｐ共振，其波長與紅色、綠色或藍(lán)色（ＲＧＢ）的顏色相對(duì)應(yīng)，其互補(bǔ)色青色、逡逑品紅或黃色（ＣＭＹ）可以很容易地在反射光中獲得。圖１．４ｂ展示了不同Ｓｉ３Ｎ４厚逡逑度（Ｃ：邋１０８ｎｍ、Ｍ：邋８（ｈｉｍ和Ｙ：邋５４ｎｍ）來制備ＣＭＹ濾波器的實(shí)驗(yàn)測量反射光譜逡逑圖，同時(shí)頂部（２０邋ｎｍ）和底部（１５０邋ｎｍ）銀層的厚度是相同的。樣品的橫截面逡逑掃描電子顯微鏡（ＳＥＭ）圖像和光學(xué)圖像如圖１．４．Ｃ所示。逡逑■ＩＭ邋１邐ｍ逡逑ｂ邋？邐逡逑ＩＩＷｌ—Ｂ？逡逑？邐ｄ邋，邋＜ｆ邐＿＿＿邋邐逡逑■逡逑？邐：邐ｍ邋ｉ逡逑Ｉｎｃｉｄｅｎｔ邋ａｎｇｌｅ邋（ｄｅｇ）逡逑圖１．５邐（ａ）邋Ｆ－Ｐ腔結(jié)構(gòu)原理圖，入射和折射角分別為？，和＆：邐（ｂ）模擬（曲線）和實(shí)驗(yàn)逡逑（點(diǎn)）結(jié)果表明，器件的共振波長隨入射角的改變而變化，這里器件的介電腔材料分別為逡逑Ｓｉ0２、ＳｉｓＮ４和ＺｎＳｅ。（ｃ－ｅ）邋ＺｎＳｅ腔的ＣＭＹ顏色濾波器光學(xué)圖

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本文編號(hào)：2747354