基于胶体刻蚀的等离子体共振膜及性质研究

发布时间：2018-03-04 23:28

  本文选题：胶体刻蚀　切入点：表面等离子体共振　出处：《吉林大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：金属材料在人们的日常生活和科技研究中已经得到了广泛的应用。除了其机械和传导性能之外,某些贵金属在特定情况下还可以与光相互作用,产生表面等离子体共振,引起周围电场能量的重新分布。金属表面等离子体共振性质在微型器件、传感器、光子电路以及医疗诊断等方面具有广阔的应用前景。然而要想得到金属的表面等离子体共振,我们需要在微观尺度上对金属进行结构化。构造多样的金属微纳结构目前已经成为物理和材料领域的研究热点。近年来由于制备方法的不断进步,使表面等离子体共振领域得到迅速的发展。目前主要的制备方法为物理刻蚀方法,包括电子束刻蚀和聚焦离子束刻蚀技术。它们可以较容易的设计和得到目标结构并且可以精确控制结构参数,适合实验室制备和基础理论研究。但是这些传统的物理图案化方法在构造金属微纳结构时具有一定的局限性,特别是在三维尺度上。而且其制备成本较高,产量低,很难在非平面上制备结构以及对材料具有限制性。为了制备更多样的等离子体共振结构并将其进行实际的应用,需要寻求一种制备过程更简单,制备成本更低并且能够扩展到更大面积和三维尺度上的通用方法。其中胶体刻蚀技术可以以其方便、快速和精确的操作实现纳米结构的制备,并且能较方便的在三维尺度上构筑纳米结构。将此项技术应用到等离子体共振结构的制备上,就可以更加灵活方便的设计和制备多种性能优异的等离子体共振结构。在本论文中,我们利用胶体刻蚀技术使等离子体共振膜三维立体化,在其结构中引入尖端、多层孔、不对称特征和纳米间隙来增强等离子体共振性质,研究了其在等离子传感器、颜色显示、生物检测、非对称光学等方面的应用。1.在第一章中我们利用胶体晶体为模板,在微球上构造金的开口屋顶结构,在除去模板之后,制备了金的三维纳米孔阵列。此种结构的特点是将纳米孔阵列从原来紧贴基底的状态变为架于基底之上,使纳米孔周围介质的折射率处于相同的状态,从而可以在纳米孔上下表面得到能量匹配的表面等离子体共振。得益于这种共振能量匹配,其透射效率较相同结构参数的传统二维纳米孔阵列增加1.5倍。更重要的是,三维纳米孔阵列对周围介质的响应灵敏度较相同结构参数的二维纳米孔阵列提高了1.7倍且具有传统二维纳米孔阵列不具有的线性响应性质。此外,在透射光谱上出现了(1,1)金/空气共振峰,并且表现出了高的相对灵敏度和大范围的线性响应。通过刻蚀基底和气液界面转移法,这种三维纳米孔阵列可以转移到其它基底上,增加了其在实际应用中的灵活性和选择性。此种三维纳米孔阵列在等离子体传感器中具有重要应用。2.在第二章中我们通过刻蚀胶体晶体掩板和下层的光刻胶构筑了大面积有序的纳米火山阵列。此种结构的特点是具有上下两层大小不同的孔,并且在两层孔之间具有空腔。双层孔结构对入射光进行两次的共振过滤作用,可以在不需要折射率匹配层的情况得到纯色的出射光。通过调节阵列周期,可以精确调节颜色的变化。此外更重要的是,由于没有折射率匹配层的存在,纳米火山阵列可以直接对周围介质的变化作出响应,其颜色可以方便灵活地调节,并且保持单色性,这是传统二维纳米孔阵列所不能达到的。以此种结构模型为基础,我们经过再次的沉积技术,在火山空腔中构筑了圆盘结构,圆盘边缘和火山内壁之间可以形成纳米级的缝隙,引起了极强的等离子体共振。传感灵敏度和线性响应得到进一步的提升。通过对火山内壁的选择性修饰,进行生物检测,并且使检测过程只发生在火山空腔中,达到限域检测的目的。这样可以减少检测过程中的背景干扰和节省检测物质。纳米火山阵列和纳米圆盘/火山复合阵列在显示器件和等离子体传感器中具有潜在的应用。3.在第三章中我们利用胶体刻蚀技术制备了中空纳米锥阵列。此种结构的特点是包含了上部的尖端和底部的纳米孔阵列两种结构元素。此两种结构元素的相互作用可以引起等离子体共振的极大增强并且使共振能量分布于内部空腔中。反应出的宏观表现为能够使入射光穿透100nm乃至更厚的银膜,而平整的银膜在此厚度是不允许光透过的。我们得到金属的结构化对改变本身性质具有重要作用的结论。此外中空纳米锥阵列也具有增强的传感灵敏度和线性响应。在此基础上,我们改变沉积材料制备了具有智能显色性质的金中空纳米锥阵列。通过调节样品的高度和厚度,使其共振峰与平整金膜的固有共振峰在空气的介质下重叠,因此中空纳米锥阵列和平整金膜在空气中显示相同的颜色。然而当改变周围介质时,等离子体共振峰会从固有共振峰中移动出来,显示不同的颜色,这一过程被称之为智能显色。另外,结合其他的图案化方法,我们可以得到复杂图案的智能显色。以中空纳米锥为模型基础并结合倾斜沉积技术,我们制备了一种三维非对称半锥覆盖的纳米孔阵列。这种非对称半锥/纳米孔阵列可以在不同偏振光,结构参数和入射角度的情况下表现出不同的光学性质。当入射方向从半锥遮板一侧移动到另一无遮蔽侧时,非对称半锥/纳米孔阵列具有持续增强的透射强度,比二维非对称结构多一维非对称度,使其具有更多调节和应用空间。这种新发现可以在新型传感器和光学器件中找到应用。综上所述,我们利用胶体刻蚀技术制备了三种类型的等离子体共振膜,并且对其变种和扩展结构也进行了探索。结合各自的结构特点,对其等离子体共振性质进行了细致的分析,并且测试了其在传感器、颜色显示、生物检测和非对称光学上的应用性能。本论文对研究等离子体共振基础理论、改进性能和开发新应用等方面具有积极作用。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.1;TP212

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