石墨烯—金属复合纳米结构的制备及其表面等离激元特性研究

发布时间：2018-12-26 19:36

【摘要】：相比于传统贵金属等离激元,石墨烯等离激元由于其优异的亚波长光限制、低损耗和可调谐红外表面等离激元共振等性质,为包括光伏器件、光调制、非线性光学和红外光谱传感检测等应用提供了可能。石墨烯纳米结构的等离激元可以直接由体光束激发,但本征石墨烯纳米结构阵列,如纳米带、纳米点和纳米环,其表面等离激元表现出窄谱共振及增强因子低的局限。理论研究表明,石墨烯与金属的复合纳米结构具有通过将光场限制在衍射极限以下来增强光-物质相互作用的优点,有望帮助改进石墨烯等离激元器件的效率。对于石墨烯-金属复合纳米结构的研究不仅可以进一步深化探索石墨烯的表面等离激元性质,而且可用于特殊功能化的应用,如等离激元增强光探测器、传感器和太阳能电池等。特别地,基于石墨烯等离激元共振的表面增强红外光谱,可用于高灵敏传感检测应用。本论文首先构建石墨烯薄膜与金属纳米颗粒的复合结构,探索金属纳米颗粒对石墨烯薄膜的掺杂和光学性质影响。然后构建石墨烯纳米结构阵列与金属纳米颗粒的复合结构,研究其等离激元性能,并探明金属纳米颗粒对石墨烯等离激元性能的调控。具体内容归纳如下:1.通过将化学气相沉积法生长的石墨烯转移至目标衬底,使用热蒸发沉积金属银的掺杂方法来调控石墨烯的载流子导电类型。本工作已经通过在转移的CVD石墨烯上热沉积银纳米材料制备出石墨烯-金属纳米银复合结构,获得了具有纳米级光滑度(RMS粗糙度～1.4 nm)的大面积(厘米级)均匀的n型掺杂石墨烯。此掺杂方法具有操作简单且高效掺杂的优势。金属银掺杂的石墨烯在约500 nm处表现出大的吸收系数(α105m-1),这使得它可用于各种应用,特别是作为光电子学中的潜在候选材料。2.通过一种低成本、简单高效自上而下的嵌段共聚物自组装方法制备石墨烯纳米点结构阵列,研究了在中红外光谱区域的石墨烯等离激元共振吸收。同时,为了进一步增强其对光的吸收能力,我们采用一种快速热退火金膜制备金纳米颗粒的方法,制备出石墨烯纳米点结构阵列-金纳米颗粒的复合结构。通过测量其红外吸收,我们发现引入金纳米颗粒可以拓宽并增强石墨烯等离激元共振。此外,利用此石墨烯-金复合等离激元结构作为红外光谱增强基底,实验获得了吸收振动10倍的信号增强以及对亚单原子层PEO分子的高灵敏检测,同时表现出对比单一石墨烯纳米点结构阵列更为宽谱增强的检测能力,可具有安全和健康相关生物、化学传感检测潜力。3.使用有限时域差分法(FDTD)模拟石墨烯纳米点结构阵列中费米能级调节对其等离激元性能的影响,发现通过对石墨烯进行掺杂改变其费米能级,可实现对石墨烯等离激元共振的有效调谐。系统研究金属纳米颗粒对石墨烯等离激元的影响,发现金属纳米颗粒的位置变化具有不同程度调控等离激元共振的作用,且表现出一种宽频的等离激元共振性能。4.采用温和的常压溶剂热法,以乙二醇作为溶剂,改变铜、硒源的摩尔比,成功合成石墨烯之外的其他二维纳米材料(铜硫族化物),最终获得分别具有1.73eV及1.91eV的直接带隙的六方晶系的CuSe和斜方晶系的Cu2Se的铜硫族化物。研究发现这种材料在可见光区域具有广泛的直接带隙吸收,并且由于表面等离激元性质,其在近红外区域具有的强吸收尾部。
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【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB383.1

【参考文献】