面向纳米器件制造的光诱微区能场特性研究

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随着纳米技术的发展,纳米器件由于其具有微型化、高度集成化和多功能化的特点,使得其在储能,传感和医学等领域都有着重要的发展前景。纳米材料由于其独特的物理及化学性质,使得它们在光诱导下的微小区域内会表现出宏观材料难以达到的性能。光诱导按尺度划分主要分为两大类别:近场能场和远场能场。远场是指研究宏观意义上光的性质及应用。近场能场是相对于远场能场而言的,其主要研究纳米尺度光的物理现象,其面对的主要问题是突破衍射极限的限制。为了探索纳米器件在近场能场和远场能场所展现的独特性能,本文从理论和实验等方面研究不同的纳米材料在近场能场和远场能场中所表现出的性质,探讨不同的微区能场在纳米科技的应用中所具有的优势。为了深入了解光诱微区能场的特性,探索纳米材料在近场能场和远场能场所展现的独特性能,分别对近场微区能场和远场微区能场的基本原理进行了研究。研制了基于微区能场的纳米制造平台,此平台具有实时在线观测、高效纳米操纵、精确位置定位以及性能检测等优势。为了研究纳米材料在光诱微区能场中的受力情况,首先进行了光诱微区能场对纳米材料作用力的建模分析,得到了纳米颗粒在光诱微区能场中的受力情况。然后利用COMSOL多场仿真软件对近场微区能场操纵纳米颗粒的过程进行了仿真,得到了近场微区能场操纵纳米颗粒的能场分布图,并利用近场微区能场对纳米颗粒进行了熔化。最后理论分析了碳纳米管在远场微区能场中的受力情况,得出碳纳米管在远场微区能场中会受到电磁力和光压的双重作用。仿真了远场微区能场对碳纳米管的作用过程,得出了碳纳米管的电磁场、温度场、应力场的分布图,并研究了不同功率的能场对碳纳米管弯曲程度的影响。利用纳米制造平台成功进行了远场微区能场对碳纳米管的驱动实验,经过计算得出,远场能场对碳纳米管的力的作用在n N级别。这种基于光诱微区能场的纳米操纵方式具有实时、非接触和稳定的优势,为将来的纳米操作提供了一种新的方法。为了研究基于光诱微区能场纳米器件的响应特性,首先进行了纳米颗粒的操纵实验和三维操作银纳米颗粒的实验,完成了三维搭建碳纳米管-银纳米颗粒结构的操作实验。制作了碳纳米管-银纳米颗粒结构器件并且对其进行了光电测试,结果表明纳米颗粒-碳纳米管器件具有良好的紫外光电响应。然后以石墨烯为材料使用全干粘弹性压印方法制成了一种具有光热响应功能的纳米器件,这种纳米器件可以简单有效地用于光吸收,光响应和热吸收等方面的研究。通过对微区能场中石墨烯纳米器件光热响应特性的研究发现,这种器件对近红外波长及高温检测具有响应快速、灵敏的特点。对于这种石墨烯纳米器件的研究,可以为纳米器件的设计和制造提供理论和实验基础,并为石墨烯和其他二维材料在电子元件和太阳能电池领域中的应用提供了有效的指导。为了解决单侧能场辐照纳米颗粒实验中存在的高斯能场辐照探针所形成的近场存在分布不均的问题,提出了一种新型环形能场的构想,并用理论解释了环形能场具有的优势。用有限元仿真的方法对单侧能场和环形能场进行了对比研究,得出在同样条件下,环形能场的场强比单侧能场高了10倍。通过研究各参数对环形能场的影响,发现随着波长频率越大、辐照面积越大、辐照距离越近,近场增强的场强也越大。通过对近场增强的场致效应研究发现,当辐照光的波长为400 nm时,针尖的膨胀和变形最大。通过理论和仿真分析,得出环形微区能场与单侧微区能场辐照相比具有辐照面积大、近场分布更均匀的特点,这为下一步更好地利用光诱微区能场进行纳米操纵和纳米器件的制备提供了一种新的方法。
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