二氧化钒及其金纳米颗粒复合结构的共振特性研究

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贵金属纳米颗粒的局域表面等离子体共振(Localized surface plasmon resonance,LSPR)是入射电磁波频率和贵金属纳米颗粒内部自由电子振荡频率相匹配时所产生的一种现象,对周围介电环境变化非常敏感。在贵金属纳米颗粒周围添加另一种介电变化材料是增强共振调谐性能的重要方法。二氧化钒(Vanadium dioxide,VO2)在热激励下,由半导体相转变为金属相,相变过程中VO2的各种物理性质产生显著变化。同时,VO2的介电常数可随相变特性发生可逆转变。通过VO2和贵金属纳米颗粒的结合,可以实现对贵金属LSPR特性的动态调制。VO2及其贵金属纳米颗粒复合结构在智能窗和可调电磁波吸收器等领域中具有潜在的应用价值,但还存在调谐能力不足的问题。针对以上内容,本文进行了如下两部分的研究。首先,为了增强VO2对近红外透过率的调谐能力并获得调控机理,利用稀硫酸(H2SO4)刻蚀连续VO2薄膜的方法制备了离散VO2颗粒结构。研究了VO2纳米颗粒的LSPR特性对光学透过率的影响,并研究了不同颗粒间距的耦合效应对VO2纳米颗粒LSPR特性的影响。研究结果表明,存在共振特性的离散VO2纳米颗粒相比于连续的平面VO2薄膜,在近红外区域具有更大的透过率调谐量,在1521nm处提高156.7%。另外,随着VO2颗粒间距的减小,耦合逐渐增强,其LSPR峰红移,且透过率的调谐能力同样得到增强。其次,为了提高VO2对金(Au)纳米颗粒LSPR的调谐范围并获得调控机理,提出并制备了一种全包覆三层VO2薄膜/Au三角纳米颗粒/VO2薄膜结构,研究了其与半包覆双层VO2薄膜/Au三角纳米颗粒和Au三角纳米颗粒/VO2薄膜结构的LSPR特性差异,并研究了VO2薄膜厚度对VO2/Au/VO2结构LSPR的影响。结果表明,随着VO2对Au三角纳米颗粒阵列共振场增强区域覆盖率的增加,LSPR峰的调谐范围逐渐增加。并且,当增加VO2的厚度时,VO2对Au的LSPR峰的调控能力得到进一步的增强。实验中,调谐范围最高达到112nm。在实验的基础上,本文采用时域有限差分(Finite-Difference Time-Domain,FDTD)方法对VO2及其与Au纳米颗粒复合结构的光学性能进行建模仿真,仿真结果与实验结果在规律上保持一致。以上结论将有助于可调谐光学器件的研究。
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