银纳米线—氧化铝复合薄膜制备与光学性能研究

发布时间：2017-08-17 08:24

  本文关键词：银纳米线—氧化铝复合薄膜制备与光学性能研究

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【摘要】：表面等离子体共振(SPR)源于金属表面自由电子的集体振荡,它是入射光子激发金属介面自由电子的产物。金属纳米线阵列与电介质复合的结构,由于具有特殊的结构特征(各向异性、周期性),其表面等离子体共振行为独特,在光、电、磁等物理性质方面呈现明显的各向异性,广泛应用于负折射、亚波长成像、超快光开关等领域。目前,制备金属纳米线阵列复合薄膜最常用的是模板法,然而该方法却存有许多局限性,例如：制备工艺复杂,不适合大面积制备,不易与其他功能器件集成,电沉积要求衬底导电等,制约了对金属纳米线阵列复合薄膜的应用。本论文中,我们提出并开发了一种非模板的方法,制备银纳米线阵列-氧化铝复合薄膜。该方法基于磁控共溅射技术,并辅助衬底偏压蚀刻,一步制备银纳米线阵列复合薄膜,制备过程不需要任何诱导剂,也不产生废弃物,是一种绿色无污染的制备工艺。该工艺制备纳米线阵列的原理是通过施加衬底偏压,使得氩离子轰击共溅射沉积的薄膜,氩离子的轰击对银的结晶和生长方向具有选择性,银的(111)晶面优先生长。该工艺对衬底材料的选择具有多样性,可以低成本、大面积制备。传统模板法制备的金属纳米线,直径通常在几十个纳米的尺度,而利用我们设计的制备工艺,银纳米线的直径和间距能够达到10nm以下,直径最小可达2nm。通过磁控溅射技术,我们可以在粗糙衬底、柔性衬底等复杂环境下制备银纳米线阵列,可以将氧化铝介质替换成氧化硅等其他陶瓷介质,甚至可以堆叠构筑双层或三层的银纳米线阵列薄膜。本论文通过实验与模拟计算相结合的方式,研究了这种超细、密排的银纳米线阵列复合薄膜的光学性能。利用DDSCAT计算软件模拟了球体、圆球二聚体、圆柱体甚至到纳米线阵列结构的表面等离子体共振规律,掌握纳米结构的尺寸、形状、环境介质、耦合等因素对共振特征的影响规律。研究了制备沉积参数改变对银纳米线阵列薄膜的影响,如银靶沉积功率、沉积时间、偏压刻蚀功率等参数,解释了银纳米线阵列SPR行为对直径、间距等结构因素的超敏感性,并通过制备参数的综合,实现从可见光到近红外范围调节纳米线轴向共振峰的峰位。另外,利用飞秒泵浦-探测系统,研究了银纳米线-氧化铝薄膜的瞬态非线性光学性能,这种复合薄膜能够实现2ps以下的超快光信号调制。在此基础上改变了探测光的入射角度和泵浦激光的激发功率,研究对银纳米线-氧化铝薄膜弛豫过程的影响。通过构筑双层和三层阵列薄膜堆叠的结构,在可见光范围的宽谱(480nm-780nm)超快光响应。这种具备超快光调制特性的银纳米线阵列超材料在光通信、光计算等领域具有应用前景。
【关键词】：磁控溅射 纳米线阵列 表面等离子体共振 瞬态非线性光学
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.2
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 1 绪论11-25
• 1.1 引言11
• 1.2 表面等离子体共振11-21
• 1.2.1 表面等离子体共振的基本概念11-13
• 1.2.2 表面等离子体共振的物理机制13-16
• 1.2.3 表面等离子体共振的影响因素16-17
• 1.2.4 表面等离子体共振的模拟计算17-19
• 1.2.5 表面等离子体共振的应用领域19-21
• 1.3 纳米材料21-23
• 1.3.1 纳米材料的简介21
• 1.3.2 银纳米材料21-22
• 1.3.3 金属纳米线阵列22-23
• 1.4 本论文研究目的及内容23-25
• 1.4.1 课题研究目的23
• 1.4.2 课题研究内容23-25
• 2 实验方法与模拟计算25-38
• 2.1 实验装置25-28
• 2.1.1 磁控溅射装置25-26
• 2.1.2 光学检测装置26-27
• 2.1.3 薄膜分析测试方法27-28
• 2.2 模拟计算28-38
• 2.2.1 球体的模拟计算28-30
• 2.2.2 圆球二聚体的模拟计算30-33
• 2.2.3 圆柱体的模拟计算33-38
• 3 银纳米线阵列薄膜稳态光学性能的研究38-59
• 3.1 引言38
• 3.2 阵列复合薄膜的制备及光学性能38-42
• 3.2.1 制备工艺流程及薄膜结构表征38-41
• 3.2.2 阵列复合薄膜的光学性能检测41-42
• 3.3 银靶沉积功率对阵列薄膜的影响42-48
• 3.4 沉积时间对阵列薄膜的影响48-50
• 3.5 衬底偏压刻蚀功率对阵列薄膜的影响50-53
• 3.6 替换阵列薄膜的衬底材料53-56
• 3.6.1 粗糙衬底54-55
• 3.6.2 柔性衬底55-56
• 3.7 替换阵列薄膜的陶瓷介质56-57
• 3.8 本章小结57-59
• 4 银纳米线阵列薄膜瞬态非线性光学性能的研究59-69
• 4.1 引言59
• 4.2 阵列薄膜超快光响应的研究59-64
• 4.2.1 飞秒泵浦探测瞬态光学性能59-62
• 4.2.2 不同探测光入射角度62-63
• 4.2.3 不同泵浦激光激发功率63-64
• 4.3 多层银纳米线-氧化铝复合薄膜的宽谱超快光响应64-67
• 4.3.1 双层银纳米线阵列复合薄膜65-66
• 4.3.2 三层银纳米线阵列复合薄膜66-67
• 4.4 本章小结67-69
• 5 总结与展望69-71
• 5.1 总结69-70
• 5.2 展望70-71
• 致谢71-72
• 参考文献72-79
• 附录79

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本文编号：688005