基于共振天线的结构颜色和分子传感器件研究

发布时间：2020-07-10 10:35

【摘要】：长期以来,对光频段电磁波的操作主要依赖于透镜、棱镜、光纤以及各种衍射元件等等。这些传统光学器件具有体积大和集成性差的性能限制。天线具有亚波长尺寸,能实现电磁波从无界自由空间到远小于波长的局域空间的能量耦合和转换,同时对光波的振幅、相位和偏振等参数具有灵活的调控效应。目前天线理论和技术在微波频段已发展较为成熟,在微波的调控和应用方面得到了广泛应用。发展光学波段的亚波长天线对于探究光与人工结构材料的相互作用以及研发新器件功能具有重要意义。基于法布里-珀罗介质天线和金属微带天线结构,本论文设计并制备了结构颜色器件和分子传感器件。这些新型光学器件均基于天线共振的基本原理,丰富了光学天线的器件功能,并揭示了相关器件机理。论文取得主要研究成果包括:1.基于法布里-珀罗介质天线中的选择性模式吸收原理,实现了无图形化薄膜结构的高纯度结构颜色器件。基于物理结构的着色方法避免了传统化学着色对材料本身的依赖,有望实现无污染的着色技术,同时具有耐高温和抗刮擦的性能优势。本论文通过在法布里-珀罗共振模式的波腹处放置超薄吸收材料,提出了波长选择性吸收和反射光谱裁剪方法。以结构红色为例,论文设计了SU-8/Ge/SU-8/Al三层膜结构,其中吸收材料Ge位于波长为454 nm的驻波模式的波腹位置,同时能够与该波长临近的法布里-珀罗共振模式的波腹重合。测试结果表明该法布里-珀罗介质天线在400 nm至600 nm波长之间具有宽带近完美吸收,呈现出鲜艳红色,其纯度高达76%,比文献报道的薄膜结构提高了16%,这一结果与结构复杂、制造成本昂贵的局域表面等离子体共振天线的结构红色的纯度相当。2.基于法布里-珀罗介质天线的场增强效应,研制了无图形化、薄膜结构的分子指纹传感器件。大多数有机分子在红外波段具有基于分子振动和转动模式的特征吸收。表面增强红外光谱技术(SEIRA)是目前最为常见的一种光学分子指纹检测方法,其探测原理是基于纳米金属颗粒或者金属天线的局域等离子体共振模式,因此具有制备工艺复杂的限制。本论文提出一种无图形化、薄膜结构的分子指纹传感器件,其结构由金属衬底上的单层硒化锌(ZnSe)薄膜组成,ZnSe薄膜厚度设计为分子特征吸收波长的四分之一。论文揭示了该薄膜介质腔在不同偏振和不同角度条件下的共振模式特点和表面电场特性。结果表明s偏振共振模式在大角度时具有约两倍的表面电场增强因子,同时具有高品质因子,适合于分子指纹探测。本论文以自组装的十八硫醇(ODT)单层分子为例,实现了其CH_2和CH_3伸缩振动模式检测,在s偏振和75°入射角时,测得的特征峰响应信号高达8.54%,与金属纳米结构中报道的信号强度相当,这一高探测灵敏度源于介质天线光学共振模式与分子化学键共振之间的能量耦合和转换机制。3.基于金属微带天线中的局域和传播表面等离子体模式,实现了单层分子的中红外折射率传感。基于波长的依赖特性,金属表面等离子体一般被认为在可见光和近红外具有较好的场束缚性质,而在波长较长的中红外波段,光场的束缚性变差,因此很少应用于中红外分子传感。论文探究了金属表面等离子体在中红外的分子折射率传感特性,理论和实验都证明中红外表面等离子体具有单层分子的探测灵敏度。论文设计的金属微带天线由金属/硒化锌/金属微带阵列三层结构组成,该金属微带天线在3μm-9μm波长范围内具有局域表面等离子体模式和传播表面等离子体模式;当通过分子自组装过程在该天线器件上附着单层十八硫醇(ODT)分子时,局域和传播表面等离子体模式都发生波长红移,其中局域表面等离子体由于具有较好的场局限性和表面电场增强特性,比传播表面等离子体模式表现出更大的波长红移。论文提出的金属微带天线分子传感器工作在红外分子指纹区之外的光谱范围,不需要分子指纹和等离子体模式之间的频率匹配,因此对等离子体模式的共振频率微小变化不敏感,在一定范围内能兼容微纳加工的尺寸误差。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP212;TN822
【图文】：

现对光波的传输和性能控制。这些传统光学元件体积大，一般在光路系统中作为分离元件使用，在小型化和集成化应用方面具有局限性。随着微纳制造技术的迅速发展，亚波长光学天线的出现为新型光学器件的研制开辟了一条新思路。光学天线具有纳米尺度的场局域特点，能够实现光从无边界自由空间到纳米局域空间的能量耦合和转换，同时为光波的振幅、相位和偏振等性能参数的调控提供了有效方法，有望实现小型化和集成化的新功能光学器件。1.1.1 光学天线概述天线理论和技术在射频和微波波段发展较为成熟，相继出现了振子天线、引向天线、螺旋天线、喇叭天线和八木天线等，已广泛应用于电磁波的辐射、传输、控制和接收。最典型、使用最为广泛的一种是半波长偶极子天线（DipoleAntenna），其结构如图 1-1 所示，由一对对称放置的金属导体构成，导体相互靠近的两端分别与馈电线相连，整个导体的长度大致为共振波长的一半，电流分布具有驻波的形式。将类似的微波天线概念引入到光学波段，对于探索光与人工结构材料相互作用过程中的新效应以及发展新功能光学器件具有重要研究价值。

图 1-2Au 在不同频段的电导率特性[3]了典型金属金（Au）在不同频段的电导率[3]。在微率保持为常数 107S/m，表现为理想金属导电性能红外和可见光波段时，其电导率实部开始减小，同013Hz 以上甚至超过了实部，表现出非理想导电特质，天线与光波相互作用时会产生如图 1-3 所示的的尺寸通常比按波长等比例缩放的尺寸更小，同时图 1-3 金属棒的表面等离子体激化示意图[4]

图 1-2Au 在不同频段的电导率特性[3]了典型金属金（Au）在不同频段的电导率[3]。在率保持为常数 107S/m，表现为理想金属导电性红外和可见光波段时，其电导率实部开始减小，013Hz 以上甚至超过了实部，表现出非理想导电质，天线与光波相互作用时会产生如图 1-3 所示的尺寸通常比按波长等比例缩放的尺寸更小，同

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