光栅结构4H-SiC表面声子激元的激发及调谐

发布时间：2017-06-11 04:03

  本文关键词：光栅结构4H-SiC表面声子激元的激发及调谐，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：表面等离激元(SPP)是纳米光子学的重要研究方向,它被广泛应用于增强传感、光辐射、光电探测、表面增强光谱学等领域。但是,在贵金属(如金、银、铜等)表面激发出的SPP及其应用主要集中在电磁波谱的可见与近红外波段;而在更低的频段(即中远红外波段),金属等离激元具有较高的光学固有损耗,这限制了SPP的进一步发展应用。研究发现极化晶体(例如Si C)在中红外或远红外波段内存在一高反射率区域(例如Si C在Reststrahlen带内,即波数793 cm-1至969 cm-1这一波段范围,反射率接近100%)。在该光谱区域内,极化晶体具有负的介电常数且支持表面声子激元(SPh P)模式。SPh P模式来源于长寿的光学声子,因此它继承了声子的某些特性,如具有很高的Q因数,较低的光学固有损耗等特征。基于这些独特的优势,在中红外波段可以利用SPh P代替SPP,实现低频段的广泛光电应用。一般来讲,通过对极性晶体碳化硅(Si C)表面进行微纳图案化,可以在Si C/空气的交界面激发出强烈的SPh P共振。本文为了避免对Si C的晶格造成破坏,利用四种新型Si C/Au人工周期性微结构,实现了中红外波段表面声子激元(SPh P)模式的光激发。基于SPh P激发,我们系统地研究了声子激元共振光谱的调制。具体研究工作如下:1)声子激元微结构的制备工艺。我们利用深紫外光刻、磁控溅射技术与lift-off工艺相结合,在Si C衬底上生长的金膜上制备出四种周期性微结构(即,一维光栅结构、周期性方形微腔阵列、相邻间距较大的周期性圆孔微腔阵列以及相邻间距较小的周期性圆孔微腔阵列),在中红外频段实现了SPh P模式(这里包括局域的SPh P模式与耦合的SPh P模式)的激发,激发出的SPh P模式展现出较高的Q因数。2)声子激元共振特性的被动调节。我们发现SPh P模式的共振峰位会随着结构占空比的变化而漂移,SPh P模式的Q因数(即共振模式的寿命)会随着金膜厚度的增加而增大。这为高效率光-声器件的设计及制备提供了有益的借鉴。3)声子激元共振特性的主动调节。类似于石墨烯复合等离激元材料的动态可调,我们将石墨烯与声子激元材料(包括Si C基一维光栅结构和二维光栅结构)复合,利用石墨烯灵敏的光学响应以及可调的电学性能,通过化学掺杂石墨烯的方式实现了中红外波段SPh P共振的动态蓝移调制。4)最后,基于SPh P模式的高强度近场,我们进一步探索了声子激元材料作为介质光学传感元件在中红外频段实现超灵敏折射率传感的可能。实验证实,相比SPP,声子激元材料的光学响应更灵敏,可以用来探测原子层薄膜的吸附。此外,我们发现Si C基二维光栅结构(包括周期性圆孔微腔阵列和周期性方形微腔阵列)比Si C基一维光栅结构更适合实现超灵敏折射率传感。
【关键词】：表面声子激元 中红外波段 碳化硅 石墨烯 光谱调谐
【学位授予单位】：上海师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB34
【目录】：

• 摘要2-4
• Abstract4-8
• 第一章 绪论8-25
• 1.1 引言8
• 1.2 极化晶体表面声子激元的基本性质8-9
• 1.3 极化晶体碳化硅简介9-11
• 1.4 石墨烯简介11-12
• 1.5 石墨烯化学掺杂的研究进展12-22
• 1.5.1 化学掺杂的机理和表征12-15
• 1.5.2 表面迁移掺杂的研究进展15-19
• 1.5.3 替位掺杂的研究进展19-22
• 1.6 石墨烯复合等离激元材料的研究22-23
• 1.7 本论文的提出和研究内容23-25
• 1.7.1 问题的提出23-24
• 1.7.2 研究内容24-25
• 第二章 实验方法与内容25-40
• 2.1 实验内容25
• 2.2 声子激元材料的制备25-37
• 2.2.1 实验设备与实验材料25-27
• 2.2.2 衬底的选择和处理27-30
• 2.2.3 制备工艺流程30-37
• 2.3 结构及性能表征37-40
• 2.3.1 相结构表征37-38
• 2.3.2 表面形貌测试38-39
• 2.3.3 红外光学性能测试与表征39
• 2.3.4 拉曼光学性能测试与表征39-40
• 第三章 声子激元材料的结构与性能研究40-56
• 3.1 引言40
• 3.2 声子激元材料的结构分析40-42
• 3.3 声子激元材料的光谱分析42-47
• 3.3.1 声子激元材料的拉曼光谱分析42-43
• 3.3.2 声子激元材料的红外光谱分析43-47
• 3.4 材料不同的结构尺寸对光谱的影响47-50
• 3.4.1 一维光栅结构尺寸的变化对光谱的影响47-49
• 3.4.2 二维光栅结构尺寸的变化对光谱的影响49-50
• 3.5 声子激元材料在中红外折射率传感方面的研究50-54
• 3.6 本章小结54-56
• 第四章 声子激元材料-石墨烯复合体系的研究56-65
• 4.1 引言56
• 4.2 石墨烯-声子激元材料复合体系光谱调谐的理论基础56-57
• 4.3 石墨烯-一维光栅复合体系的研究57-60
• 4.4 石墨烯-二维光栅复合体系的研究60-62
• 4.5 一维光栅-石墨烯复合体系的研究62-64
• 4.5.1 一维光栅-石墨烯混合结构的制备62-63
• 4.5.2 一维光栅-石墨烯混合结构的光谱调谐63-64
• 4.6 本章小结64-65
• 第五章 结论与展望65-67
• 5.1 结论65-66
• 5.2 展望66-67
• 参考文献67-72
• 攻读硕士期间的研究成果72-73
• 致谢73-74

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