论文摘要
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。
论文目录
文章来源
类型: 博士论文
作者: 戴艳秋
导师: 王沛,鲁拥华
关键词: 表面等离激元,大面积微纳结构,折射率传感器,光学超透射,透明导电膜
来源: 中国科学技术大学
年度: 2019
分类: 基础科学,信息科技
专业: 物理学,物理学,无线电电子学
单位: 中国科学技术大学
基金: 国家自然科学基金项目(11274293,61377053,11674303,11574293),安徽省自然科学基金项目(1408085MKL01)
分类号: O482.3;O441.4
总页数: 114
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