【摘要】：局域場是一直微納光學(xué)領(lǐng)域的重要研究對象,它的產(chǎn)生是由于在特定光場作用下,特定天線結(jié)構(gòu)表面自由電子的集聚性振蕩。由于其超分辨、強場增強效應(yīng),因此在超分辨成像,拉曼熒光增強,納米顆粒操作等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。本論文緊密圍繞Bowtie天線中局域光場的激發(fā)這一關(guān)鍵問題,基于兩種不同的物理手段,實現(xiàn)超分辨局域場的激發(fā),并優(yōu)化發(fā)展了一些典型應(yīng)用。文章從光學(xué)激發(fā)手段出發(fā),結(jié)合模型仿真與新穎的天線加工方法,優(yōu)化了天線的場增強因子、透射效率與局域場分辨率。并以此為基礎(chǔ)優(yōu)化了近場掃描光刻系統(tǒng),實現(xiàn)了較高分辨率的光刻直寫。文章還創(chuàng)新性地從電學(xué)角度出發(fā),通過隧穿結(jié)實現(xiàn)電子非彈性隧穿到局域等離子的能量轉(zhuǎn)移,實現(xiàn)了一種高出射功率的電激發(fā)納米光源發(fā)光功率可達1.4nW,效率達到了10-4。論文的主要研究內(nèi)容包括:1.結(jié)合有限時域差分法研究Bowtie天線幾何參數(shù)對局域光場強度、分辨率與透射效率的影響機制,總結(jié)影響天線局域性能的關(guān)鍵指標;分析天線的諧振特性,結(jié)合天線的透射光譜與波導(dǎo)理論,驗證等離子體共振與端面FP共振對天線光譜特性的影響,從而由此設(shè)計特定應(yīng)用的Bowtie型天線;2.針對現(xiàn)有Bowtie加工存在的問題,提出背面加工方案,有效縮小天線的間距尺寸,實現(xiàn)了間距小于9nm的Bowtie型天線,這將局限場的分辨率推向極限。優(yōu)化現(xiàn)有近場掃描光刻實驗平臺,結(jié)合超細線寬脊型天線與柔性被動協(xié)變臺的設(shè)計,完成了分辨率達16nm的動態(tài)掃描實驗。3.由于Bowtie天線局域特性只能存在近場,在傳播方向上則以倏逝光場存在。為延長Bowtie天線的工作距離,從超材料的異常色散能力出發(fā),結(jié)合的超材料設(shè)計,實現(xiàn)對天線倏逝場的調(diào)制作用。分析不同色散關(guān)系下對倏逝場傳播的影響關(guān)系,選取基于金屬-介質(zhì)-金屬多層膜系材料結(jié)構(gòu)的超材料體系,實現(xiàn)雙曲色散的特定色散關(guān)系。優(yōu)化近場掃描光刻的曝光系統(tǒng),實現(xiàn)焦深達100nm的光刻結(jié)果。4.使用電學(xué)方案激發(fā)局域光場是基于隧穿行為產(chǎn)生的。在隧穿過程中,一部分電子彈性隧穿過勢壘而無能量損失,另外一部分則發(fā)生非彈性隧穿,將能量傳遞給等離子體或者聲子。這部分等離子體將在天線的作用下產(chǎn)生局域場。本文提出了一種新型Bowtie結(jié)構(gòu)設(shè)計,利用可控的電遷移方案,實現(xiàn)小于1nm的隧穿結(jié)寬度,且這種隧穿結(jié)可以定位在天線中心。結(jié)合Simmons模型,表征隧穿的Ⅳ特性曲線,并擬合得到隧穿間距為0.6nm。通過測量電致熒光的光譜,首次在等離子天線的平臺上觀測到多峰共振的效應(yīng),利用多洛倫茲函數(shù)的擬合出射光譜,并驗證其來源于多階局域等離子體共振效應(yīng)。通過改變天線的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù),可以將出射光譜的能量峰值在1.39eV到1.9eV范圍內(nèi)調(diào)諧。出射熒光的最大功率可達1.4nW,比目前報道的結(jié)果高出兩個量級,效率達到了 104,這是目前單等離子體天線觀測到的最強出射功率。較強出射功率成因主要源于三點特性,一是微安量級的隧穿電流,二是多階局域等離子體模式共振帶來多個自發(fā)輻射通道,三是天線輻射效率優(yōu)化。本文的主要創(chuàng)新點包括:1.基于背面加工方法,實現(xiàn)超細間距的Bowtie型天線加工,結(jié)合多維度柔性協(xié)變臺設(shè)計,實現(xiàn)線寬小于16nm的動態(tài)掃描光刻實驗;2.提出基于電學(xué)方案實現(xiàn)局域場激發(fā)的思路,分析隧穿電子非彈性隧穿機制,設(shè)計新型等離子體天線,減小等離子體在隧穿結(jié)中傳播過程中的損耗,提高電致熒光出射強度;3.基于電遷移實驗方案,實現(xiàn)亞納米尺度的隧穿結(jié),有效提高隧穿電流,間接提高電致熒光的出射功率;4.分析電致熒光出射光譜特性,結(jié)合多階局域等離子體共振效應(yīng),解釋光譜中的多峰出射特性。
【圖文】：

一定的虛部（耗散）。逡逑根據(jù)表面等離激元的傳播方向的色散方程，可以簡單繪制ＳＰＰ的色散曲線逡逑如圖１．２所示。其中金屬的色散關(guān)系可以用Ｄｒｕｄｅ模型來表示：逡逑６）１逡逑＃īg鴻\0，

本文編號：2601361