本文選題：膠體刻蝕　切入點(diǎn)：表面等離子體共振　出處：《吉林大學(xué)》2016年博士論文　論文類(lèi)型：學(xué)位論文

【摘要】：金屬材料在人們的日常生活和科技研究中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。除了其機(jī)械和傳導(dǎo)性能之外,某些貴金屬在特定情況下還可以與光相互作用,產(chǎn)生表面等離子體共振,引起周?chē)妶?chǎng)能量的重新分布。金屬表面等離子體共振性質(zhì)在微型器件、傳感器、光子電路以及醫(yī)療診斷等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。然而要想得到金屬的表面等離子體共振,我們需要在微觀尺度上對(duì)金屬進(jìn)行結(jié)構(gòu)化。構(gòu)造多樣的金屬微納結(jié)構(gòu)目前已經(jīng)成為物理和材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。近年來(lái)由于制備方法的不斷進(jìn)步,使表面等離子體共振領(lǐng)域得到迅速的發(fā)展。目前主要的制備方法為物理刻蝕方法,包括電子束刻蝕和聚焦離子束刻蝕技術(shù)。它們可以較容易的設(shè)計(jì)和得到目標(biāo)結(jié)構(gòu)并且可以精確控制結(jié)構(gòu)參數(shù),適合實(shí)驗(yàn)室制備和基礎(chǔ)理論研究。但是這些傳統(tǒng)的物理圖案化方法在構(gòu)造金屬微納結(jié)構(gòu)時(shí)具有一定的局限性,特別是在三維尺度上。而且其制備成本較高,產(chǎn)量低,很難在非平面上制備結(jié)構(gòu)以及對(duì)材料具有限制性。為了制備更多樣的等離子體共振結(jié)構(gòu)并將其進(jìn)行實(shí)際的應(yīng)用,需要尋求一種制備過(guò)程更簡(jiǎn)單,制備成本更低并且能夠擴(kuò)展到更大面積和三維尺度上的通用方法。其中膠體刻蝕技術(shù)可以以其方便、快速和精確的操作實(shí)現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)的制備,并且能較方便的在三維尺度上構(gòu)筑納米結(jié)構(gòu)。將此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到等離子體共振結(jié)構(gòu)的制備上,就可以更加靈活方便的設(shè)計(jì)和制備多種性能優(yōu)異的等離子體共振結(jié)構(gòu)。在本論文中,我們利用膠體刻蝕技術(shù)使等離子體共振膜三維立體化,在其結(jié)構(gòu)中引入尖端、多層孔、不對(duì)稱特征和納米間隙來(lái)增強(qiáng)等離子體共振性質(zhì),研究了其在等離子傳感器、顏色顯示、生物檢測(cè)、非對(duì)稱光學(xué)等方面的應(yīng)用。1.在第一章中我們利用膠體晶體為模板,在微球上構(gòu)造金的開(kāi)口屋頂結(jié)構(gòu),在除去模板之后,制備了金的三維納米孔陣列。此種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是將納米孔陣列從原來(lái)緊貼基底的狀態(tài)變?yōu)榧苡诨字?使納米孔周?chē)橘|(zhì)的折射率處于相同的狀態(tài),從而可以在納米孔上下表面得到能量匹配的表面等離子體共振。得益于這種共振能量匹配,其透射效率較相同結(jié)構(gòu)參數(shù)的傳統(tǒng)二維納米孔陣列增加1.5倍。更重要的是,三維納米孔陣列對(duì)周?chē)橘|(zhì)的響應(yīng)靈敏度較相同結(jié)構(gòu)參數(shù)的二維納米孔陣列提高了1.7倍且具有傳統(tǒng)二維納米孔陣列不具有的線性響應(yīng)性質(zhì)。此外,在透射光譜上出現(xiàn)了(1,1)金/空氣共振峰,并且表現(xiàn)出了高的相對(duì)靈敏度和大范圍的線性響應(yīng)。通過(guò)刻蝕基底和氣液界面轉(zhuǎn)移法,這種三維納米孔陣列可以轉(zhuǎn)移到其它基底上,增加了其在實(shí)際應(yīng)用中的靈活性和選擇性。此種三維納米孔陣列在等離子體傳感器中具有重要應(yīng)用。2.在第二章中我們通過(guò)刻蝕膠體晶體掩板和下層的光刻膠構(gòu)筑了大面積有序的納米火山陣列。此種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是具有上下兩層大小不同的孔,并且在兩層孔之間具有空腔。雙層孔結(jié)構(gòu)對(duì)入射光進(jìn)行兩次的共振過(guò)濾作用,可以在不需要折射率匹配層的情況得到純色的出射光。通過(guò)調(diào)節(jié)陣列周期,可以精確調(diào)節(jié)顏色的變化。此外更重要的是,由于沒(méi)有折射率匹配層的存在,納米火山陣列可以直接對(duì)周?chē)橘|(zhì)的變化作出響應(yīng),其顏色可以方便靈活地調(diào)節(jié),并且保持單色性,這是傳統(tǒng)二維納米孔陣列所不能達(dá)到的。以此種結(jié)構(gòu)模型為基礎(chǔ),我們經(jīng)過(guò)再次的沉積技術(shù),在火山空腔中構(gòu)筑了圓盤(pán)結(jié)構(gòu),圓盤(pán)邊緣和火山內(nèi)壁之間可以形成納米級(jí)的縫隙,引起了極強(qiáng)的等離子體共振。傳感靈敏度和線性響應(yīng)得到進(jìn)一步的提升。通過(guò)對(duì)火山內(nèi)壁的選擇性修飾,進(jìn)行生物檢測(cè),并且使檢測(cè)過(guò)程只發(fā)生在火山空腔中,達(dá)到限域檢測(cè)的目的。這樣可以減少檢測(cè)過(guò)程中的背景干擾和節(jié)省檢測(cè)物質(zhì)。納米火山陣列和納米圓盤(pán)/火山復(fù)合陣列在顯示器件和等離子體傳感器中具有潛在的應(yīng)用。3.在第三章中我們利用膠體刻蝕技術(shù)制備了中空納米錐陣列。此種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是包含了上部的尖端和底部的納米孔陣列兩種結(jié)構(gòu)元素。此兩種結(jié)構(gòu)元素的相互作用可以引起等離子體共振的極大增強(qiáng)并且使共振能量分布于內(nèi)部空腔中。反應(yīng)出的宏觀表現(xiàn)為能夠使入射光穿透100nm乃至更厚的銀膜,而平整的銀膜在此厚度是不允許光透過(guò)的。我們得到金屬的結(jié)構(gòu)化對(duì)改變本身性質(zhì)具有重要作用的結(jié)論。此外中空納米錐陣列也具有增強(qiáng)的傳感靈敏度和線性響應(yīng)。在此基礎(chǔ)上,我們改變沉積材料制備了具有智能顯色性質(zhì)的金中空納米錐陣列。通過(guò)調(diào)節(jié)樣品的高度和厚度,使其共振峰與平整金膜的固有共振峰在空氣的介質(zhì)下重疊,因此中空納米錐陣列和平整金膜在空氣中顯示相同的顏色。然而當(dāng)改變周?chē)橘|(zhì)時(shí),等離子體共振峰會(huì)從固有共振峰中移動(dòng)出來(lái),顯示不同的顏色,這一過(guò)程被稱之為智能顯色。另外,結(jié)合其他的圖案化方法,我們可以得到復(fù)雜圖案的智能顯色。以中空納米錐為模型基礎(chǔ)并結(jié)合傾斜沉積技術(shù),我們制備了一種三維非對(duì)稱半錐覆蓋的納米孔陣列。這種非對(duì)稱半錐/納米孔陣列可以在不同偏振光,結(jié)構(gòu)參數(shù)和入射角度的情況下表現(xiàn)出不同的光學(xué)性質(zhì)。當(dāng)入射方向從半錐遮板一側(cè)移動(dòng)到另一無(wú)遮蔽側(cè)時(shí),非對(duì)稱半錐/納米孔陣列具有持續(xù)增強(qiáng)的透射強(qiáng)度,比二維非對(duì)稱結(jié)構(gòu)多一維非對(duì)稱度,使其具有更多調(diào)節(jié)和應(yīng)用空間。這種新發(fā)現(xiàn)可以在新型傳感器和光學(xué)器件中找到應(yīng)用。綜上所述,我們利用膠體刻蝕技術(shù)制備了三種類(lèi)型的等離子體共振膜,并且對(duì)其變種和擴(kuò)展結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了探索。結(jié)合各自的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),對(duì)其等離子體共振性質(zhì)進(jìn)行了細(xì)致的分析,并且測(cè)試了其在傳感器、顏色顯示、生物檢測(cè)和非對(duì)稱光學(xué)上的應(yīng)用性能。本論文對(duì)研究等離子體共振基礎(chǔ)理論、改進(jìn)性能和開(kāi)發(fā)新應(yīng)用等方面具有積極作用。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TB383.1;TP212

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本文編號(hào)：1567797