钠金属等离激元：制备，特性及应用

发布时间：2020-07-09 10:56

【摘要】：几十年来,低损耗等离激元材料由于在光电器件、光检测和亚衍射成像等领域具有重要的应用价值,引起了广泛关注。其中钠具有较低的金属损耗,长期以来一直被认为是优良的等离激元材料。但是,由于其高化学反应活性,很少被人们研究。我们通过简单的旋涂工艺制备出基于钠的等离激元结构,实现了低的光学损耗。同时我们采用独特的三维二氧化钛(TiO2)/金(Au)多孔结构研究了基于罗丹明B(RhB)的光催化降解,通过实验解释了不同波段入射光对等离激元光催化的作用。本文的主要研究内容如下:1.通过将超光滑的石英衬底旋涂、退火和自清洁处理的步骤,制备得到的钠膜(与石英沉底接触)表现出极低的光学损耗,并且相对于标准银镜,反射率100%,这与理论分析和数值模拟表现出良好的一致性。作为直接的证明,我们测量了基于钠的纳米结构的表面等离激元传播长度,在1180 nm波长激发下,传播长度超过100 μm。优异的等离激元性能与高度可扩展的制造工艺相结合,使得金属钠成为有前途的候选材料,可作为超越传统贵金属的低损耗等离激元材料。2.选用具有低光学损耗的非贵金属钠作为反射式等离激元滤波器。通过合理设计结构参数以及精细控制离子束的物理刻蚀,实现了周期性的钠纳米结构,最低测量反射率约15%以及半高宽约20 nm,与贵金属结构相当。全波段数值模拟表明,有利于窄带结构色过滤的尖锐光学模式可归因于杂化腔表面等离激元模式。为了展示完整的结构色图谱,我们通过梯度调控周期和孔直径,在实验中实现了一系列钠纳米盘。测量的角分辨反射光谱展示出滤波器不仅是窄带而且在可见光范围内也是角度不敏感的。我们的钠基反射等离激元颜色滤光片可为成像、显示和传感应用提供一个可供选择的途径。3.采用三维TiO2-Au多孔结构探究了罗丹明B(RhB)的光催化降解的机理。从紫外到近红外的高效测量吸收率展示了宽谱吸收能力和光催化能力,其中直接带隙跃迁、等离激元敏化作用以及等离激元光热效应都有利于光催化反应。通过对光的不同波段进行过滤,实验表明,等离激元增强和等离激元光热效应可以促进光催化降解RhB的速率提升30%以上。我们的结果有助于提高对波长选择的等离激元增强光催化过程的理解。
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.1;O441
【图文】：

等离激元,信息处理速度,相位空间,大带宽

一１．１引言逡逑在过去的几十年里，信息处理的速度随着微电子和纳米电子器件尺寸的减小逡逑速增长。然而，研究人员在使用这种缩放方法达到几十吉赫兹以上速度时面临逡逑着困难，相比之下，光子学能够提供太赫兹范围内的带宽［１］。传统的光子元件，逡逑如光纤，由于衍射极限限制，需要的物理尺寸与光的波长（大约一微米）在一个逡逑量级。纳米尺度电子器件和微米尺度光子元件在物理尺寸上的差异导致了这两种逡逑器件之间的不兼容性。等离激元融合了光子学提供的高带宽和纳米电子学提供的逡逑纳米集成，将光子能量与自由电子气体耦合，形成一种亚波长振荡模式。由于等逡逑离激元器件能够突破亚波长限制，因此等离激元成为纳米光子学研究领域的基础逡逑（图］．１邋）邋［２］0逡逑ＰＨ／－＇逡逑

蝴蝶,扫描电子显微镜,截面图,颜色设计

为了减小光学特性对入射角的依赖性，在基于高吸收媒介的纳米腔中使逡逑用折射率高、千涉效应强的材料来减少对结构的折射，金属纳米结构中的相位补逡逑偿和局域共振被广泛研究［３６］。我们利用图１．４的反射式颜色设计来阐述原理［３７丨逡逑５逡逑

器件,共振波长,折射角,介电

邋逦ｍ．ｙ逡逑图１．４逦（ａ）反射式Ｆ－Ｐ颜色滤波器原理图；（ｂ）不同ＳｉｓＮ４厚度（ｄ邋＝邋１０８，８０和５４邋ｒｎｎ）逡逑时，实验测得的ＣＭＹ颜色滤波器的反射光谱；（ｃ）ＣＭＹ颜色器件的ＳＥＭ和光学照片，器件尺逡逑寸约邋２邋ｃｍＸ２邋ｃｍ丨３７｜逡逑图１．４ａ描述了利用Ｆ－Ｐ共振的原理图氮化硅（Ｓｉ３Ｎ４）和银（Ａｇ）分别作为逡逑腔体媒介和反射镜。在结构色颜色滤波器设计中，银作为金属镜被广泛选用，因逡逑为其在可见光频率下具有低的吸收损耗。通过选择一个合适的腔长度（ｄ）来产逡逑生Ｆ－Ｐ共振，其波长与红色、绿色或蓝色（ＲＧＢ）的颜色相对应，其互补色青色、逡逑品红或黄色（ＣＭＹ）可以很容易地在反射光中获得。图１．４ｂ展示了不同Ｓｉ３Ｎ４厚逡逑度（Ｃ：邋１０８ｎｍ、Ｍ：邋８（ｈｉｍ和Ｙ：邋５４ｎｍ）来制备ＣＭＹ滤波器的实验测量反射光谱逡逑图，同时顶部（２０邋ｎｍ）和底部（１５０邋ｎｍ）银层的厚度是相同的。样品的横截面逡逑扫描电子显微镜（ＳＥＭ）图像和光学图像如图１．４．Ｃ所示。逡逑■ＩＭ邋１逦ｍ逡逑ｂ邋？逦逡逑ＩＩＷｌ—Ｂ？逡逑？逦ｄ邋，邋＜ｆ逦＿＿＿邋逦逡逑■逡逑？逦：逦ｍ邋ｉ逡逑Ｉｎｃｉｄｅｎｔ邋ａｎｇｌｅ邋（ｄｅｇ）逡逑图１．５逦（ａ）邋Ｆ－Ｐ腔结构原理图，入射和折射角分别为？，和＆：逦（ｂ）模拟（曲线）和实验逡逑（点）结果表明，器件的共振波长随入射角的改变而变化，这里器件的介电腔材料分别为逡逑Ｓｉ0２、ＳｉｓＮ４和ＺｎＳｅ。（ｃ－ｅ）邋ＺｎＳｅ腔的ＣＭＹ颜色滤波器光学图

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