基于表面等离激元谐振的短波光热效应及其应用基础研究

发布时间：2020-06-12 00:20

【摘要】：导电纳结构激发的局域表面等离激元共振(LSPR)具有局部场增强和光热效应,在细胞探测和光热治疗等领域有大量应用。而氧化钒(VO_x)是一种具有高电阻温度系数(TCR)的热敏电阻材料,其TCR可以达到-2%/K。本文将二者进行结合用于辐射探测,选择具有高TCR的VO_x薄膜材料来制作亚波长热敏感线,利用不同金属和导电化合物的纳结构在从UV至红外的宽波段范围激发LSPR光热效应,研究由导电纳结构和VO_x亚波长线组合成光热探测器的特性。探究在单芯片上集成紫外-可见-红外辐射探测器的可行性和实现途径,为未来发展高性能光谱成像和宽波段成像探测器奠定技术基础。主要完成以下内容:1.采用COMSOL多物理场仿真模拟探索LSPR的光热动力学,计算纳米粒子的稳态温度分布。理论仿真研究纳结构形状、尺寸以及环境介质对LSPR响应波段和响应带宽的影响规律。2.提出了一种在可见-近红外频率下的超宽带偏振无关的接近完美吸收的结构。吸收体基于金属-介质-金属结构,使用二氧化钒(VO_2)相变材料作为介电层。对于TM和TE偏振,在高达60°的宽入射角下可实现较好的光吸收,吸收峰值可高达99%。同时分析了所提出结构的超宽带吸收的物理机制和纳秒脉冲光照下结构的加热过程。其中,VO_2层可以在光强为1.43?10~5W/m~2的低光照下,在0.35ns内,从室温升至VO_2相变温度340K。3.设计和制作基于LSPR光热效应的新型探测器单元结构,实验探究Al纳米粒子与VO_x热敏感线结合的单元器件的探测效果。通过搭建测试系统测量其光谱响应度。研究发现当Al方块边长在120nm,周期为500nm的情况下,其吸收峰在500nm附近,基本与仿真吻合,达到初步验证的效果。
【图文】：

表面等离激元,表面等离极化激元,局域

华中科技大学硕士学位论文远远低于室温，因此电阻和噪声水平低，这使得 V2O3成为制造高效微测的候选者，但是其相变温度在 160K 限制其的应用。有研究表明[17]，三种膜结合在一起可以产生具有高 TCR 和广泛应用与测辐射热计的最佳材料表面等离激元表面等离激元是金属表面的自由电子与入射光波中光子的频率相互匹配而产生的一种表面激发态隐逝波[18,19]。如图 1-1 所示，表面等离激元根大致分为两种形式：在金属纳米薄膜和介质的界面上激发的表面等离极rfacePlasmonPolarization：SPP)，，以及局域在金属纳米颗粒（尺寸从几十纳米不等）中局域表面等离激元（Localized Surface Plasmon：LSP ）。

示意图,峰值吸收,吸收光谱曲线,表面等离激元

图 1-2 不同直径 Au 纳米球的吸收光谱曲线以及峰值吸收波长随直径的变化规律近来，发现这种光热效应可以产生高效和高度局域性的热源，激光辐照下这种热源温度可以造成周围介质发生相变、蛋白质变性甚至水气化等现象[21]。如应用物医药领域的光热癌症治疗[22]，如图 1-3 所示。图 1-3 金属纳米粒子的光热疗法治疗癌症[22]示意图3.2 表面等离激元相关应用研究表面等离激元由于具有选择性光散射、吸收和局域场增强等特点，因此被广泛用在光电器件、检测、能源等领域。在 2003 年，Stockman 等人[23]预言了表面等离激元放大的受激光辐射（Sur
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN15

【参考文献】