【摘要】：表面等離子體是入射的電磁波與金屬表面的自由電子相互耦合形成的表面電磁模,一般來說,它可分為局域表面等離子體和傳播型表面等離子體。本論文的工作集中在探索局域表面等離子體和傳播型表面等離子體的應(yīng)用,數(shù)值模擬并實(shí)驗(yàn)研究了脊形納米小孔的近場光刻和等離子體波導(dǎo)的傳輸特性。我們的研究展現(xiàn)了脊形納米小孔在低成本、高分辨率近場光刻中優(yōu)異性能,拓展了表面等離子體在微納光學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。本論文取得的主要成果如下：1、論文數(shù)值計(jì)算了金屬銀膜中蝴蝶結(jié)形納米小孔的透射光譜,并指出透射譜中多個諧振峰具有不同的共振特性：法布里帕羅(F-P)共振和等離子體共振,其中F-P共振由金屬膜厚主導(dǎo)而等離子體共振則對小孔的間隙尺寸更敏感。這些現(xiàn)象揭示了諧振效應(yīng)背后的物理機(jī)制也提供了有效的調(diào)諧蝴蝶結(jié)形納米小孔的方法。我們還制備樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果高度吻合,這證實(shí)了模擬結(jié)果的正確性也佐證了我們對于小孔諧振特性的理解。2、利用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)對比了用于近場接觸光刻的C形納米小孔和常規(guī)形狀小孔的光斑對比度和場強(qiáng)分布,結(jié)果表明C形納米小孔在保證高傳輸效率和高光斑對比度的情況下獲得納米級精度上具有非常顯著地優(yōu)勢。除此之外,我們模擬了不同金屬材料中不同脊長的C形納米小孔在近場光刻中的表現(xiàn)以對小孔參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。3、采用背加工方法,制備了間隙僅為10.12納米的蝴蝶結(jié)形納米小孔并進(jìn)行了靜態(tài)曝光實(shí)驗(yàn)和動態(tài)掃描曝光實(shí)驗(yàn),靜態(tài)光刻時得到了精度為21納米的單點(diǎn),動態(tài)掃描光刻時得到了精度高達(dá)18納米的線,這是小孔近場光刻所能達(dá)到的非常的精度。另外,數(shù)值仿真了不同輪廓尺寸和間隙大小的蝴蝶結(jié)形納米小孔在近場光刻中的場強(qiáng)分布和光斑對比度。模擬結(jié)果顯示輪廓尺寸對于光斑對比度影響甚微但對透射光強(qiáng)度作用明顯,輪廓尺寸越小光強(qiáng)越強(qiáng)。小孔的間隙越小光強(qiáng)越強(qiáng),但對光斑對比度的影響較復(fù)雜。我們的數(shù)值和實(shí)驗(yàn)結(jié)果清晰地展示了蝴蝶結(jié)形納米小孔在高精度近場掃描光刻中的應(yīng)用潛力。4、提出了一種新型的混合等離子體波導(dǎo)的設(shè)計(jì)方案,它由介質(zhì)納米管和金屬楔角組成。我們進(jìn)行了非常全面的數(shù)值模擬分析,相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果表明新型波導(dǎo)具有較低的傳輸損耗和極強(qiáng)的光場約束能力。我們還給出了制備該波導(dǎo)的具體工藝流程。除此之外,我們還分析了可能出現(xiàn)的工藝誤差如不準(zhǔn)確的楔角圓弧半徑和納米管與金屬楔的水平對齊誤差對波導(dǎo)中混合等離子體模式特性的影響。討論結(jié)果顯示新型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)對這些誤差的容忍度非常高,基本不影響最后的傳輸模式。這種新型的波導(dǎo)在許多功能型納米光子器件如無源器件、等離子體激光器和等離子體諧振器中具有非常巨大的應(yīng)用前景。5、改進(jìn)了金屬楔形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)制備工藝,相比之前的方法,新流程具有較高的加工精度和成功率。數(shù)值模擬分析了不同楔角的楔形等離子體波導(dǎo)的傳輸特性,我們發(fā)現(xiàn)楔形等離子體在楔形側(cè)邊表面?zhèn)鬏敳⒊识喾灏攴植?而且楔角越大,波導(dǎo)的最佳激發(fā)波長越大、耦合效率越高、傳輸損耗也越低。我們研究了將楔形尖角變?yōu)閳A弧的情況,發(fā)現(xiàn)表面等離子體的場強(qiáng)有所降低。為了提高波導(dǎo)的激發(fā)效率,我們還提出了在波導(dǎo)中加入激發(fā)端,設(shè)計(jì)了光柵和三角形的激發(fā)結(jié)構(gòu)并模擬仿真進(jìn)行了對比。最后我們討論了結(jié)構(gòu)缺陷對楔形等離子體波導(dǎo)的傳輸特性的影響,計(jì)算結(jié)果顯示楔形兩邊的傳輸�；ハ嗒�(dú)立,缺陷結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致楔形等離子體模式的不對稱分布。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TN252

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本文編號：2280696