本文選題：光學天線　切入點：表面等離激元　出處：《中國科學技術大學》2016年博士論文

【摘要】：光學天線作為微波／射頻天線在光學波段的延伸,可以在亞波長尺度上對光場進行調控,因而得到了廣泛關注,它可以應用于近場光刻,近場顯微,納米操縱和非線性光學等眾多領域。在眾多的光學天線類型中,領結形納米孔光學天線由于其超透射特性和產生局域增強光點的能力而格外引入注目。本文基于領結形納米孔光學天線的近場局域增強特性,提出了一種新的背面刻蝕的加工方法,可以得到間隙寬度小于16 nm的領結形納米孔,進而大大提高其近場局域特性。之后將這種加工方法應用于近場掃描光刻的模板制備中,實現(xiàn)了16 nm的加工分辨率。然后我們對領結形納米孔的結構形式進行拓展,將出射面間隙處用金屬橋相連,從而實現(xiàn)電場和磁場的同時局域增強。最后我們進一步擴展其結構形式,通過將多個領結形納米孔串聯(lián),產生法諾諧振,實現(xiàn)對波長的納米尺度選擇。本論文工作對改良光學天線的制備工藝,實現(xiàn)高分辨率,低成本的納米制造技術以及光學超材料的研究有重要意義。具體研究內容如下：1.對領結形光學天線的光學特性進行了研究,并分析其內在的物理機理,在此基礎上提出出射面間隙寬度作為影響近場局域增強特性的關鍵指標。分析了聚焦離子束加工中的非陡直側壁產生的物理機理及其對出射面間隙寬度產生的展寬效應。據此提出了背面刻蝕的方法解決了非陡直側壁的影響,制備出間隙尺寸穩(wěn)定小于16nm的領結形納米孔。用時域有限差分的仿真方法和散射式近場光學顯微鏡的實驗方法分別研究其近場特性,并與正面刻蝕方法制備的納米孔進行對比,表明其具有更加優(yōu)越的近場局域特性。進一步將鄰近加工方法與背面刻蝕方法相結合,制備出間隙尺度小于5 nm的領結形納米孔光學天線。2.將背面刻蝕的方法應用[于近場掃描光刻的模板力工中,制備出間隙寬度穩(wěn)定小于15 nm的領結形納米孔。利用調制傳遞函數,計算和比較背面刻蝕和正面刻蝕加工出的納米孔可以實現(xiàn)的光刻分辨率。引入柔性平臺技術,控制模板與光刻膠的接觸,并搭建一套近場掃描光刻系統(tǒng)。在實驗中比較兩種加工方法加工的領結形納米孔應用于近場光刻的分辨率以及納米孔間隙尺寸對分辨率的影響,并與理論分析的結果對比。最終通過優(yōu)化曝光參數和掃描速度,得到16 nm的加工分辨率。3.擴展領結形納米孔光學天線的結構形式,將出射面間隙用金屬橋相連,實現(xiàn)電場和磁場的同時局域增強并用光學電路理論和虛擬電流環(huán)理論進行解釋。研究橋的三維尺寸和金屬膜厚度對電場和磁場強度的影響,進一步研究其內在的物理機理,并對結構參數進行優(yōu)化。得到金屬橋上表面最大電場增強和磁場增強分別為585和170,金屬橋下表面分別為5200和1439。而在x,y方向上,電場的半高寬為46 nm和64 nm,磁場為32 nm和34 nm。并用背面刻蝕的方法加工出參數可調的橋連領結形納米孔光學天線,提出測量近場電場和磁場分布的實驗方案。4.進一步擴展領結形納米孔光學天線,將多個領結形納米孔串聯(lián),實現(xiàn)納米尺度的波長選擇.該結構在垂直入射光激勵下,產生超輻射寬譜偶極子模式和亞輻射窄譜多極子模式,兩種模式干涉產生法諾諧振峰。時域有限差分仿真和散射式近場光學顯微鏡測量表明,在法諾諧振峰附近,法諾諧振情況發(fā)生明顯變化,導致近場幅值和相位分布改變。綜合分析幅值和相位信息,可以對法諾諧振的物理機理進行研究。這種近場分布的變化,可以應用于納米尺度的波長選擇,不同波長的入射光選擇性通過不同通道。利用波長選擇比,對波長選擇特性進行定量表征。本論文的創(chuàng)新點：1.提出了背面刻蝕的加工方法,制備間隙寬度小于16 nm的領結形納米孔光學天線,并用散射式近場光學顯微鏡進行高分辨率近場表征。并將這種背面刻蝕加工的具有優(yōu)越近場局域性能的納米孔用于掃描近場光刻,結合柔性平臺技術,實現(xiàn)了16nm分辨率的近場掃描光刻。2.設計了新型橋連領結形納米孔光學天線,實現(xiàn)對電場和磁場的同時局域增強,并利用光學電路理論和虛擬電流環(huán)理論進行解釋,研究橋的三維尺寸和金屬膜厚對電場和磁場強度的影響,并優(yōu)化結構參數。3.設計了新型多領結形納米孔光學天線,通過法諾諧振的產生,實現(xiàn)納米尺度的波長選擇,并利用多波長散射式近場光學顯微鏡對其近場幅值和相位進行表征,研究其內在物理機理。
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【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TN826

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本文編號：1724582