基于STEM-EELS方法对极化激元的研究
发布时间：2022-01-27 20:29
随着等离子体技术的高速发展,等离子体技术在军事方面大展拳脚,极大促进了军事现代化、远程化、科技化发展。等离子体技术主要应用于等离子体干扰、等离子体鞘、等离子体尾迹、等离子体隐身和等离子体镜像雷达。表面等离激元共振模型对电磁波的吸收作用是未来坦克、船舶、飞机隐身技术的关键。本文通过结合扫描透射电子显微镜（STEM）和聚焦离子束两种电子显微技术的方法,研究了金薄膜亚微米结构的表面等离激元。改变自行加工的双缝系统长度、夹缝间距和形状,研究这些因素对双缝系统表面等离激元的影响和耦合机制。夹缝长度的改变可以测量到更高阶高次谐波信号,夹缝长度为1000nm时观测到五阶模式。改变夹缝间距发现,这并不会改变波的传播方向,但是对波的强度有影响,在夹缝间距大于700nm夹缝耦合效应基本消失。改变形状可以观测到新的模式,并且可以根据样品形状调整波的传播途径,这样的话就能根据样品形状有效地调控光谱范围。基于扫描透射电子显微镜（STEM）电子能量损失谱（EELS）的方法,同时研究了蓝宝石、氮化镓、碳化硅、氮化铝四种极性材料的表面声子极化激元。一方面由于缺乏合适的光源和探测器,妨碍了对极性材料性质的理解;另一方面...
【文章来源】：中北大学山西省
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
表面等离激元在金属-电介质表面激发时电磁场和电荷分布示意图[3]
中北大学学位论文8的。SPPs分为可沿着金属表面传播的表面等离激元和局域在金属纳米颗粒或纳米结构附近的局域表面等离极化激元（LocalizedSurfacePlasmaProlaritons，简称LSPPs）。传播方式如图1-2所示。LSPPs与纳米颗粒或纳米结构的等离子共振频率由金属的频率相关介电函数、纳米颗粒的形状和尺寸以及周围介质的介电函数决定。改变包埋介质会导致等离子体子共振光谱位置的改变。局域表面等离子体共振（Localizedsurfaceplasmonresonance，LSPR）传感是基于监测由于周围介质变化而引起的光谱变化。等离子体纳米颗粒的LSPR灵敏度通常由其品质因数来评估，品质因素为周围介质中每折射率单位变化的等离子体子频移除以光谱共振峰宽度的比率。在定义LSPR传感器灵敏度时，这既考虑了共振峰位置的绝对位移，也考虑了共振宽度。局域表面等离极化激元（LSPPs）的激发需要一个时变电磁场，传统的LSPPs探测方法是用远场平面波光照射样品，通过测量吸收、散射或消光来研究光响应。尽管远场光学技术取得了惊人的进展，但衍射(～200nm)限制了测量精度和获得的信息量。控制光子LSPP相互作用阻碍了光学暗模的分析。针对这些局限性，开发了近场扫描光学显微镜（SNOM），该显微镜利用近场光源，通过聚焦具有亚折射大小孔径的远场光而形成。SNOM可以探测到空间分辨率高达10nm的亮模式和暗模式，但它存在局部加热、成像伪影、灵敏度和针尖扰动等问题，这些都降低了实验结果的可解释性。图1-2表面等离激元信号传递（a）金属介质界面处表面等离激元的传播(b)金属纳米颗粒的局域表面等离激元的传播Fig.1-2Surfaceplasmonsignaltransmission,(a)Signaltransferofsurfaceplasmonattheinterfaceofmetalmedium(b)signaltransferoflocalsurfaceplasmonofmetalnanoparticles
中北大学学位论文9根据Drude模型，金属的相对介电常数ε()可表示为：ε()=122+（式1-1）式中：γ－振荡频率；γ=1，τ为电子在金属里的弛豫时间，它描述了自由电子与金属之间的相互作用。是金属等离子激元的振荡频率：=√200（式1-2）n－电子的密度；e－电子的电荷，；0－真空介电常数，；0－电子的质量。忽略电子碰撞时，γ=0，金属的相对介电常数ε()可以简化为ε()=122（式1-3）当=，即1=2时(其中和1是金属的介电常数，和2是介质的介电常数)，所对应的频率，定义为表面等离激元的共振频率，即ω=1+（式1-4）表面等离激元是一种表面电磁波。假设如图1.3所示，最基础最简单的金属-介质结构，通过麦克斯韦方程组和边界条件来分析表面等离激元。图1-3金属介质的界面示意图Fig.1-3Theinterfaceofmetalanddieelectricdiagram
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于STEM-EELS方法在纳米尺度上测量表面声子强度[J]. 刘秉尧,李宁,孙元伟,李跃辉,高鹏,俞大鹏. 电子显微学报. 2018(05)
[2]石墨烯的声子热学性质研究[J]. 叶振强,曹炳阳,过增元. 物理学报. 2014(15)
[3]太赫兹雷达反等离子体隐身研究[J]. 杨玉明,王红,谭贤四,陈辉. 雷达科学与技术. 2012(05)
[4]极化激元研究的进展——纪念黄昆先生90诞辰[J]. 甘子钊. 物理. 2009(08)
[5]等离子体隐身技术的研究[J]. 赵青,李宏福,任同,鄢阳,罗勇. 电子科技大学学报. 2004(02)
[6]发展中的军用等离子体技术[J]. 陈心中,徐润君,赵志珩. 物理与工程. 2002(04)
[7]等离子体技术在军事中的应用[J]. 曹金祥. 自然杂志. 2000(01)
博士论文
[1]动目标模拟与表面等离激元特性研究[D]. 郑哲.中国科学技术大学 2019
[2]基于微纳加工的表面等离激元光子回路和热效应探测研究[D]. 高龙.中国科学院大学(中国科学院物理研究所) 2018
[3]金属纳米颗粒表面等离激元模式的计算模拟研究[D]. 章可俊.中国科学技术大学 2018
[4]半导体/电光材料界面光栅诱导等离激元与亚波长耦合[D]. 薛听雨.哈尔滨工业大学 2018
[5]非线性可调谐表面等离激元器件的研究[D]. 高一晓.北京交通大学 2017
[6]金属纳米结构表面等离激元杂化和吸收特性的研究[D]. 梁秋群.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2015
硕士论文
[1]SiC表面声子极化激元的激发及其光学特性研究[D]. 买尔旦·吐合达洪（merdan tuhtasun）.上海师范大学 2019
[2]棱镜耦合型表面等离子体共振传感特性研究[D]. 孟晓云.燕山大学 2016
[3]铀铌合金表面氧化行为的电子能量损失谱研究[D]. 陆雷.中国工程物理研究院北京研究生部 2003
本文编号：3613036
【文章来源】：中北大学山西省
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
表面等离激元在金属-电介质表面激发时电磁场和电荷分布示意图[3]
中北大学学位论文8的。SPPs分为可沿着金属表面传播的表面等离激元和局域在金属纳米颗粒或纳米结构附近的局域表面等离极化激元（LocalizedSurfacePlasmaProlaritons，简称LSPPs）。传播方式如图1-2所示。LSPPs与纳米颗粒或纳米结构的等离子共振频率由金属的频率相关介电函数、纳米颗粒的形状和尺寸以及周围介质的介电函数决定。改变包埋介质会导致等离子体子共振光谱位置的改变。局域表面等离子体共振（Localizedsurfaceplasmonresonance，LSPR）传感是基于监测由于周围介质变化而引起的光谱变化。等离子体纳米颗粒的LSPR灵敏度通常由其品质因数来评估，品质因素为周围介质中每折射率单位变化的等离子体子频移除以光谱共振峰宽度的比率。在定义LSPR传感器灵敏度时，这既考虑了共振峰位置的绝对位移，也考虑了共振宽度。局域表面等离极化激元（LSPPs）的激发需要一个时变电磁场，传统的LSPPs探测方法是用远场平面波光照射样品，通过测量吸收、散射或消光来研究光响应。尽管远场光学技术取得了惊人的进展，但衍射(～200nm)限制了测量精度和获得的信息量。控制光子LSPP相互作用阻碍了光学暗模的分析。针对这些局限性，开发了近场扫描光学显微镜（SNOM），该显微镜利用近场光源，通过聚焦具有亚折射大小孔径的远场光而形成。SNOM可以探测到空间分辨率高达10nm的亮模式和暗模式，但它存在局部加热、成像伪影、灵敏度和针尖扰动等问题，这些都降低了实验结果的可解释性。图1-2表面等离激元信号传递（a）金属介质界面处表面等离激元的传播(b)金属纳米颗粒的局域表面等离激元的传播Fig.1-2Surfaceplasmonsignaltransmission,(a)Signaltransferofsurfaceplasmonattheinterfaceofmetalmedium(b)signaltransferoflocalsurfaceplasmonofmetalnanoparticles
中北大学学位论文9根据Drude模型，金属的相对介电常数ε()可表示为：ε()=122+（式1-1）式中：γ－振荡频率；γ=1，τ为电子在金属里的弛豫时间，它描述了自由电子与金属之间的相互作用。是金属等离子激元的振荡频率：=√200（式1-2）n－电子的密度；e－电子的电荷，；0－真空介电常数，；0－电子的质量。忽略电子碰撞时，γ=0，金属的相对介电常数ε()可以简化为ε()=122（式1-3）当=，即1=2时(其中和1是金属的介电常数，和2是介质的介电常数)，所对应的频率，定义为表面等离激元的共振频率，即ω=1+（式1-4）表面等离激元是一种表面电磁波。假设如图1.3所示，最基础最简单的金属-介质结构，通过麦克斯韦方程组和边界条件来分析表面等离激元。图1-3金属介质的界面示意图Fig.1-3Theinterfaceofmetalanddieelectricdiagram
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于STEM-EELS方法在纳米尺度上测量表面声子强度[J]. 刘秉尧,李宁,孙元伟,李跃辉,高鹏,俞大鹏. 电子显微学报. 2018(05)
[2]石墨烯的声子热学性质研究[J]. 叶振强,曹炳阳,过增元. 物理学报. 2014(15)
[3]太赫兹雷达反等离子体隐身研究[J]. 杨玉明,王红,谭贤四,陈辉. 雷达科学与技术. 2012(05)
[4]极化激元研究的进展——纪念黄昆先生90诞辰[J]. 甘子钊. 物理. 2009(08)
[5]等离子体隐身技术的研究[J]. 赵青,李宏福,任同,鄢阳,罗勇. 电子科技大学学报. 2004(02)
[6]发展中的军用等离子体技术[J]. 陈心中,徐润君,赵志珩. 物理与工程. 2002(04)
[7]等离子体技术在军事中的应用[J]. 曹金祥. 自然杂志. 2000(01)
博士论文
[1]动目标模拟与表面等离激元特性研究[D]. 郑哲.中国科学技术大学 2019
[2]基于微纳加工的表面等离激元光子回路和热效应探测研究[D]. 高龙.中国科学院大学(中国科学院物理研究所) 2018
[3]金属纳米颗粒表面等离激元模式的计算模拟研究[D]. 章可俊.中国科学技术大学 2018
[4]半导体/电光材料界面光栅诱导等离激元与亚波长耦合[D]. 薛听雨.哈尔滨工业大学 2018
[5]非线性可调谐表面等离激元器件的研究[D]. 高一晓.北京交通大学 2017
[6]金属纳米结构表面等离激元杂化和吸收特性的研究[D]. 梁秋群.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2015
硕士论文
[1]SiC表面声子极化激元的激发及其光学特性研究[D]. 买尔旦·吐合达洪（merdan tuhtasun）.上海师范大学 2019
[2]棱镜耦合型表面等离子体共振传感特性研究[D]. 孟晓云.燕山大学 2016
[3]铀铌合金表面氧化行为的电子能量损失谱研究[D]. 陆雷.中国工程物理研究院北京研究生部 2003
本文编号：3613036
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