大面积微纳结构的制备及其光学特性

发布时间：2020-06-27 09:03

【摘要】：金属微纳结构可以调控表面等离激元共振(Surface Plasmon Resonance,SPR),增强局域表面电磁场,被广泛应用于光学传感、光学超透射(Extraordinary Optical Transmission,EOT)、光产生和探测等新型光电子器件。在实际的光电子器件中,为实现对光场的有效调控,通常需要设计并制备大面积的微纳结构。本文结合紫外光刻、聚苯乙烯(Polystyrene,PS)小球自组装、反应离子束刻蚀(Reactive Ion-beam Etching,RIE)和镀膜技术等多种光学加工工艺,发展出了多种制备大面积微纳结构的方法,并对所制备金属微纳结构的功能与应用进行了实验探索。将紫外光刻与热蒸发镀膜技术相结合,制备矩形银光栅。搭建表面等离激元共振传感装置,从实验上论证了矩形银光栅对溶液折射率传感的高灵敏度特性。将PS小球自组装、RIE刻蚀和磁控溅射镀膜技术相结合,制备连续银膜覆盖的介质纳米帐篷阵列结构,并对其透明导电性进行了详细的分析。本文工作对发展金属微纳结构的实用化制备、拓展微纳结构在光电子器件中的应用具有重要意义。主要研究内容如下:1.利用AR-P3120光刻胶,制备多种大面积新型一维/二维微纳结构。使用双光束干涉,制备光栅高度为30nm的矩形介质光栅;控制通过六棱台的光束数量和方位,制备不同形貌的点阵结构;在光刻胶表面自组装PS小球,以PS小球为透镜,对其下方的光刻胶曝光,制备纳米孔洞阵列;以PS小球为掩模版,RIE刻蚀下方的光刻胶,制备纳米帐篷阵列;结合PS小球光刻和RIE刻蚀技术,制备纳米火山口阵列。2.实验验证了反射式金属光栅的SPR传感特性。根据严格耦合波分析(Rigorous Coupled-Wave Analysis,RCWA),结合紫外光刻和热蒸发镀膜技术,设计并制备大面积银光栅结构。使用theta-2theta仪,测量银光栅在不同折射率下的反射率曲线,并标记共振角度随溶液的变化趋势,分析给出共振角度随溶液折射率变化的灵敏度。分析光栅的前向散射和背向散射角度调制灵敏度,验证测量双共振峰(double-dips)增强传感灵敏度方法的可行性。将光栅角度调制灵敏度与棱镜的角度调制灵敏度进行对比,证明光栅的角度调制灵敏度高于棱镜。3.设计并制备高光学透射、高电导率的连续银膜覆盖的介质纳米帐篷阵列结构。测量结构在不同RIE刻蚀时间和溅射镀膜厚度下的透明导电性。分析RIE刻蚀时间和溅射膜厚对结构透明导电性的影响,实现对透明导电薄膜结构的优化。使用时域有限差分法(Finite-Different Time-Domain,FDTD)模拟结构的透射谱和表面电场分布,并优化了结构参数,揭示了结构光学超透射的物理机理。改变入射光的角度,测量透射谱随入射光角度的变化。选用不同直径的PS小球,调制结构透射谱的EOT范围,使结构的透射颜色从红色调制成绿色和蓝色。制备非连续的银膜覆盖纳米帐篷阵列结构,并与连续银膜结构的透明导电性进行对比,证明连续银膜覆盖纳米帐篷阵列结构具有更高的透明导电特性。本文的创新点:1.发展了多手段融合的、简易的大面积微纳结构制备技术,将PS小球自组装技术与RIE刻蚀技术、光刻技术有机结合,制备出了二维六角纳米孔洞、纳米帐篷和纳米火山口等新型结构,为其它新型(如手性)结构的制备提供了技术参考。2.从实验上证明了反射式矩形银光栅SPR传感器的高灵敏特性。实验结果表明:光栅的背向散射灵敏度高于前向散射,且背向散射的最大灵敏度为254.1°/RIU,证明了double-dips的可行性。当光栅的背向散射被激发时,光栅的角度调制灵敏度大于棱镜,打破了人们对于棱镜灵敏度高于光栅的普遍认知。3.设计并制备一种新型的透明导电膜——连续银膜覆盖的纳米帐篷阵列结构,实现了超低的表面电阻(1.09Ω/sq)和与ITO相当的透过率(85.5%)。结果表明:(1)采用溅射镀膜方式制备的结构具有较高的透明导电性;(2)改变PS小球的直径可以调制透射谱EOT共振峰的位置;(3)结构透过率对入射光角度具有很强的依赖性,适用于光激发和光探测装置。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O482.3;O441.4
【图文】：

模型图,等离激元,半无限大介质,金属界面

（１）传播的表面等离激元逡逑为了更清晰明了的展示介质－金属界面处的表面电磁波传播模式，选用半无逡逑限大介质－金属平板结构［１１］，如图１．１所示。逡逑Ｊ邋ｉ逡逑Ｚ逡逑Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ邋｛邋ｅ２邋＞邋０邋）逡逑一一一逦＂４＂崎＊＊逡逑ｗ逡逑Ｍｅｔａｌ邋（逦＜邋０邋）逡逑图１．１半无限大介质－金属界面等离激元模型逡逑假设表面波沿ｘ方向传播，ｚ＞０区域为各向同性的介质材料，介电常数＆邋＞逡逑０；邋ｚ＜０为各向同性的金属材料，介电常数＆＜０；邋ｚ＝０为介质－金属的交界面。逡逑那么，在ｚ＝０处的表面波的电场为：逡逑Ｅ｛ｘ，ｙ，ｚ）邋＝邋ＥｚｅｌＰｘ逦（１．１）逡逑其中，１邋＝逦ｚ＝０。Ａ为振幅，ｐ为沿ｘ方向传播的波矢。逡逑针对ＴＭ模式，结合Ｍａｘｗｅｌｌ方程组，仅存在Ｅｘ，Ｅｚ和Ｈｙ三种电磁场分量，逡逑可表示为：逡逑Ｅｘ邋＝邋－ｉ—＾逦Ｅｚ邋＝邋－－ＬＨ逦（１．２）逡逑０）￡0￡邋ｄｚ逦０）￡0￡邋ｙ逡逑—／／ｙ邋４－邋（／ｃ0ｆ邋—邋Ｐ２）Ｈｙ邋＝邋０逦（１．３）逡逑由（１．３）式可得

示意图,表面等离激元,金属纳米粒子,局域

。逡逑求解由（１．４）和（１．８）构成的方程组，可以求出，在ＴＭ模式下，介质－金属逡逑界面传播的表面等离激元的波矢，即色散关系为：逡逑Ｐ邋＝邋ｆｃｓｐ邋＝邋ｋ0Ｊ－＾逦（丨＿９）逡逑由于金属材料的介电常数ｑ包含虚数分量，即ｑ邋＝邋４邋＋ｉ＿４＇，波矢也将包含逡逑虚数分量，即Ｐ邋＝逦＋逦〃，其中逡逑卜ｋ。原逦（丨？丨0）逡逑ｎ卷愿逦（丨，１丨）逡逑针对ＴＥ模式，采用相似的分析方法，得到逡逑八１邋＝八２邋＝邋0逦（１．１２）逡逑所以，在ＴＥ模式下，介质－金属界面不存在传播的表面波。逡逑（２）局域的表面等离激元逡逑当金属纳米颗粒的尺寸远小于入射光波长时，会在特定波长的激发下形成电逡逑磁场与电子谐振的现象，使电子局域在颗粒表面一个很小的尺度范围内，产生局逡逑域的表面等离激元［１２］，如图１．２所示。逡逑

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