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表面等离子体激元是局域在金属表面的一种自由电子和光子相互作用形成的混合激发模式。在这种相互作用中,自由电子与一定频率的入射光波发生共振效应,并展现出很多独特的性质。表面等离子体激元为发展新型的光学器件、宽带通信系统、高灵敏传感器以及集成光子回路等提供了可能。目前SPP已经成为光学、纳米集成光子学的热点研究领域。表面金属微结构是表面等离子体激元激发和传播的必要条件和载体,通过改变金属表面的结构,可以对表面等离子体激元的性质进行有效的调控,因此表面金属微结构的制备在表面等离子体激元光学中就显得格外的重要了。
虽然目前制备表面金属微结构的方法很多,但是大多数方法都需要贵重的精密仪器、苛刻的环境和复杂的工艺。本论文突破传统的制备工艺,利用两种简单、新颖的光学方法制备了表面金属微结构,为发展新型的金属微结构制备工艺提供了新的选择,具有重要的借鉴意义。本论文的主要研究内容及结果包括以下几个部分:
第一,利用光诱导铌酸锂晶体形成的强表面空间电荷场,成功对金属和非金属微纳颗粒实现了俘获和操控,首次在晶体表面制备出金属颗粒光栅结构。首先利用电泳效应在晶体表面制备了碳粉和铝粉颗粒光栅,其颗粒光栅周期和入射光的干涉周期一致;其次,利用介电泳效应在晶体表面制备了粉笔末和银粉颗粒光栅结构,在一个光折变光栅周期内,其颗粒光栅有两个略有不同的颗粒周期,并且我们对颗粒在电场下受到的介电泳力进行了理论分析;最后,我们研究了金属银颗粒在掺杂较多的晶体表面的动态变化,首次发现了在银颗粒光栅的形成过程中存在介电泳效应到电泳效应的转化。
第二,利用激光诱导化学沉积的方法,在玻璃基底上成功制备了多形貌的银纳米颗粒薄膜,同时利用双光束干涉的方法制备了亚微米周期的表面褶皱银颗粒光栅结构。首先,研究了聚焦的激光束诱导银纳米颗粒薄膜的情形。聚焦激光束制备的银纳米颗粒薄膜是由大量团聚的银纳米颗粒紧密堆积而成的;其次,研究了激光非聚焦条件下入射激光的功率密度、辐照的时间等对银膜的形成的影响。在一定的条件下,不仅可以制备球形银纳米颗粒薄膜,还可以制备三角形银纳米颗粒薄膜;再次,我们研究了激光的偏振对银膜沉积的影响,它可以影响银纳米颗粒的形状、生长取向等;最后,将双光束干涉方法应用到激光诱导化学沉积中,制备了表面褶皱银颗粒光栅结构。
第三,研究了表面金属微结构在表面等离子体激元中的应用。首先,对不同参数下表面等离子体激元的特性进行了研究;其次,讨论了银膜的硫化对表面等离子体激元激发的影响。随着银膜硫化程度的增加,表面等离子体共振激发角度将会增大,并且激发效率下降;最后,研究了利用激光诱导化学沉积方法制备银纳米颗粒薄膜和表面褶皱光栅在表面增强拉曼散射中的应用。利用此方法制备的银颗粒薄膜和光栅结构具有很好的拉曼活性和较高的拉曼散射增强因子。