金微纳米结构表面等离子体效应研究

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纳米尺寸的金属与功能分子的自组装在未来纳米电子器件中具有广阔的应用前景,对其基本理论和实际应用的研究正成为一个新兴的研究领域。基于表面等离子体激元的各种纳米光子器件也是迄今为止人们认为最有希望实现纳米全光集成回路的基础。金属纳米谐振腔是实现超小型新颖激光光源的关键器件。等离子体光学是基于电磁辐射和金属纳米结构中传导电子交互作用引起的一种低于波长尺度的近场光学增强效应。当金属纳米离子的尺寸与光波波长相干长度等物理尺寸相当或更小时,晶体周期性的边界条件被破坏,致使光、电、磁、力学等特征的显著变化,产生等离子共振偏移等特征。等离子体光学理论形成于纳米光子学,这种技术在太阳能电池、高分辨率显微镜、药剂设计以及其他方面都有潜在的应用价值。本文的研究工作主要围绕不同的金微纳米结构表现出的表面等离子体激元性质进行研究以及实验探索。实验中应用不同的制备方法制备了三种具有不同形貌特点的金微纳米结构:利用在AFM针尖溅射镀膜方法获得了类四面锥型的金表面微米结构;通过高温热处理的方法得到不连续的微纳颗粒表面结构;采用飞秒激光光刻系统进行烧蚀光刻得到了块状金薄膜方阵和阵列颗粒堆。运用sEM和倒置显微镜对金薄膜微纳结构样品表面形貌和结构进行了表征。表征结果表明,镀有金薄膜的针尖结构和刻蚀的纳米颗粒结构参数控制较好,可用于下一步的性能研究。通过近场光学分析软件OptiFDTD,对金类锥型结构、金颗粒、金表面阵列等微纳结构在高斯光场中的电磁效应进行了实验研究。研究发现在光场照射下针尖类锥形结构,针尖部分表面会有明显的针尖增强效果;圆形颗粒周围介质会产生敏感电磁波局域场增强效应,同时紧密靠近的二个粒子之间由于静电电容效应会产生强大的近电磁场;不同的入射光波长或者不同的基底材料对纳米颗粒阵列增强效应都会有不同的影响。利用光度分析法研究了石英基底表面金纳米颗粒结构的透射吸收光谱,以及硅基底表面纳米金颗粒结构的反射吸收光谱。研究表明金属岛膜的场增强因子比金属颗粒膜的场增强因子要小,这与文献中的理论分析相吻合;金纳米粒子尺寸、形状都会影响颗粒的吸光特性,颗粒形貌越圆整吸收率越高,颗粒大小越均匀越有利于线性光学作用产生。在利用金表面微纳米结构表面等离子体效应进行表面改性应用进行了实验研究中,对利用AFM针尖耦合激光加工方法进行了总结并对实验重复性进行研究,对纳米金颗粒硅基表面改性进行了尝试。结果表明利用金属微纳结构诱导产生局域场增强效果来加工材料是区别于传统的微加工技术的新的加工手段,是值得进一步研究的加工技术。
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