基于金属纳米结构的表面等离激元结构色研究

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表面等离激元结构色是可见光与金属微观结构相互作用而产生的颜色。近年来,包括聚焦离子束,电子束光刻以及纳米压印等微纳加工与表征技术的发展为亚波长尺度光特性的有效调控提供了条件。表面等离激元结构色微纳器件优秀的滤波特性以及良好的电学响应,使其在超高分辨率显示和远程实时光调控等领域具备重大潜力。我们针对透射式结构色器件和反射式结构色器件进行了一系列的研究。对于透射式结构色,我们在前人研究成果的基础上,进行了改进透射式结构色滤波器厚度的研究。我们创新性地将无基底的Si3N4薄膜波导与金属光栅相结合的结构,将前人微米量级的厚度直接缩小到了纳米量级,大大缩小了器件的厚度。这为器件进一步应用在超精密、超集成工业领域提供了便利。我们分析了器件中金属光栅的周期与共振波长的关系,得到了对应的色散曲线。根据曲线,我们可以预测共振波长的位置,以达到控制滤出颜色的关系。其中,表面等离激元的激发对共振波长的透射率具有增强作用。进一步地,我们研究了纳米狭缝的数量对滤出颜色的影响,并在实验中制作了三十微米左右见方的校徽图标,其中有大部分图形都只有几条狭缝。我们观察到上面清晰的边界以及高质量的颜色呈现,可以体现出我们这种结构色滤波器的出色性能。由此,我们获得的透射式结构色器件具有厚度超薄,透过率高,全彩色显示以及色彩分辨率优秀等诸多优点,在未来的光电滤波器件中将发挥较为重要的作用。对于反射式结构色,我们针对于“纯黑”的吸收器进行了一系列的研究。为了满足阻抗匹配以及表面等离激元的激发,我们制作了金属钨的锥形结构。在制作工艺方面,由于传统钨锥结构难以刻蚀,我们创新性的将钨包覆在刻蚀成型的光刻胶,不仅保持了钨锥的性能,又大大减小了刻蚀难度。器件的性能方面,我们测试了器件在可见光以及近红外波段的吸收性能,得到了平均超过93%的吸收率。因此,器件也在颜色上体现出了“极黑”的视觉效果。这种宽谱高效吸收特性,使该器件在太阳能光热转化,能量收集等领域具有重大应用潜力。我们进一步地测试了器件的在不同钨膜厚的器件吸收率,得到了 35纳米以上的钨膜厚的情况下,器件的吸收性能都保持的非常高的水准。同时,为了测试我们的器件在温度升高情况下的稳定性,我们将器件置于常温到150℃的高温环境,等到与之前实验结果高度一致的吸收。最后,为了证明我们的吸收器在大范围的角度下都可以实现超强吸收,我们测试了器件的角度容忍性,得到在0°到60°角度范围内,我们器件的吸收性能稳定,表现优异。由此可见,我们器件的膜厚容忍度,温度稳定性以及角度容忍度方面都非常出色,可以在工业领域有更多的实际应用。
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