三维微纳表面等离激元结构的加工及其特性研究

论文摘要

表面等离激元结构在被激发时产生的表面等离极化激元或者局域表面等离激元具有可以沿金属表面传播或者产生电磁波近场增强的特性。由于表面等离激元的特性,表面等离激元结构在凝聚态物理、材料化学以及生物医学等多个领域具有巨大的应用潜力。在众多等离激元结构中,三维微纳米结构具有能在三维空间上调控电磁场以及更高的集成度等优势,使得它被广泛的应用在生物探测、超材料、量子器件之中。近年来,对于三维表面等离激元结构,尤其是三维纳米间隙和三维折纸结构的制备和应用研究成了一个重要的课题。本文聚焦于通过新的加工手段制备三维结构,并探究这些三维结构的等离激元特性及其在光调控中的应用。首先,为了加工三维纳米间隙,提出了两种克服传统微加工工艺极限的方法:一、利用应力诱导断裂的技术制备悬空纳米间隙;二、利用倾角沉积技术制备纳米间隙。利用这两种方法可以快速的加工基于三维结构的亚10 nm间隙,以提高纳米间隙的场增强能力。此外,这两种加工方法均可以灵活的调控纳米间隙的尺寸并实现大面积加工。表面增强拉曼散射（SERS）的探测结果表明,三维纳米间隙的SERS增强因子达到了108,具有单分子探测的能力。并且,制备的纳米间隙也可以应用在光致发光谱增强（SEF）器件中。其次,利用聚焦离子束（FIB）诱导卷曲技术快速地制备了三维卷曲纳米结构。通过调整离子束的能量以及剂量可以连续的调控卷曲结构的半径,最终得到半径低至175 nm的三维结构。并利用透射电子显微镜分析了离子束诱导卷曲的加工机理。另外,提出了三维卷曲-折叠复合结构的制备方法,完善了FIB快速组装技术,明显提高了三维结构的形状控制能力,为三维器件的设计及制备奠定了基础。最后,利用离子束辐照诱导卷曲技术制备了两种三维超材料:一、根据直立谐振环中存在的法诺线型共振,制备了偏振不敏感的超材料,在中红外波段实现了多个高品质因子的共振,品质因子可达98,并研究了结构尺寸与共振频率的依赖关系;二、设计并制备了基于弯曲纳米悬臂梁的单向反射超材料,当光从超材料正面入射时,其反射率接近0;而当光从超材料背面入射时,则具有较高的反射率,其反射率差值可达56%。卷曲超材料的设计与实验结果表明三维卷曲结构在光学领域具有重要的应用价值,也为其他三维器件的设计与加工提供了思路。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 表面等离激元的基本概念
•     1.1.1 表面等离极化激元
•     1.1.2 局域表面等离激元
•   1.2 表面等离激元结构类型及其应用
•     1.2.1 表面等离激元结构类型
•     1.2.2 表面等离激元结构的应用
•   1.3 三维微纳结构的加工
•     1.3.1 三维纳米间隙的制备
•     1.3.2 三维结构的折纸加工
•   1.4 论文的研究目的及主要内容
• 第2章 三维亚-10纳米间隙的制备
•   2.1 引言
•   2.2 应力诱导断裂纳米间隙的制备及其金属化过程
•     2.2.1 纳米桥断裂的应力分析
•     2.2.2 应力断裂间隙的实验制备
•   2.3 阴影沉积纳米间隙的制备
•     2.3.1 平面纳米间隙的制备
•     2.3.2 金属间隙-Si微米槽复合结构的制备
•   2.4 本章小结
• 第3章 三维亚-10纳米间隙的等离激元光谱增强特性
•   3.1 引言
•   3.2 平面纳米间隙的光局域能力分析
•   3.3 三维纳米间隙在SERS中的应用
•     3.3.1 阴影沉积纳米间隙的SERS效应
•     3.3.2 应力诱导断裂间隙在SERS中的应用
•   3.4 本章小结
• 第4章 三维卷曲结构的FIB快速制备
•   4.1 引言
•   4.2 三维卷曲结构的制备
•     4.2.1 FIB诱导卷曲技术
•     4.2.2 三维卷曲结构的稳定性测试
•   4.3 三维卷曲-折叠复合结构的制备
•   4.4 本章小结
• 第5章 等离激元三维结构的光谱调控特性
•   5.1 引言
•   5.2 高品质因子共振卷曲超材料及特性
•   5.3 单向反射卷曲超材料及特性
•   5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 参考文献
• 作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 潘如豪

导师: 顾长志

关键词: 表面等离激元,纳米间隙,三维折纸,超材料,表面增强拉曼散射

来源: 中国科学院大学(中国科学院物理研究所)

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

专业: 物理学,材料科学,无线电电子学

单位: 中国科学院大学(中国科学院物理研究所)

分类号: TB383.1;O441.4

总页数: 148

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