石墨烯-金屬復合納米結構的制備及其表面等離激元特性研究.pdf

1、相比于傳統(tǒng)貴金屬等離激元，石墨烯等離激元由于其優(yōu)異的亞波長光限制、低損耗和可調(diào)諧紅外表面等離激元共振等性質(zhì)，為包括光伏器件、光調(diào)制、非線性光學和紅外光譜傳感檢測等應用提供了可能。石墨烯納米結構的等離激元可以直接由體光束激發(fā)，但本征石墨烯納米結構陣列，如納米帶、納米點和納米環(huán)，其表面等離激元表現(xiàn)出窄譜共振及增強因子低的局限。理論研究表明，石墨烯與金屬的復合納米結構具有通過將光場限制在衍射極限以下來增強光-物質(zhì)相互作用的優(yōu)點，有望幫助改進石

2、墨烯等離激元器件的效率。對于石墨烯-金屬復合納米結構的研究不僅可以進一步深化探索石墨烯的表面等離激元性質(zhì)，而且可用于特殊功能化的應用，如等離激元增強光探測器、傳感器和太陽能電池等。特別地，基于石墨烯等離激元共振的表面增強紅外光譜，可用于髙靈敏傳感檢測應用。
　　本論文首先構建石墨烯薄膜與金屬納米顆粒的復合結構，探索金屬納米顆粒對石墨烯薄膜的摻雜和光學性質(zhì)影響。然后構建石墨烯納米結構陣列與金屬納米顆粒的復合結構，研究其等離激元性能，

3、并探明金屬納米顆粒對石墨烯等離激元性能的調(diào)控。具體內(nèi)容歸納如下：
　　1.通過將化學氣相沉積法生長的石墨烯轉移至目標襯底，使用熱蒸發(fā)沉積金屬銀的摻雜方法來調(diào)控石墨烯的載流子導電類型。本工作已經(jīng)通過在轉移的CVD石墨烯上熱沉積銀納米材料制備出石墨烯-金屬納米銀復合結構，獲得了具有納米級光滑度（RMS粗糖度?1.4 nm)的大面積（厘米級）均勻的n型摻雜石墨烯。此摻雜方法具有操作簡單且高效摻雜的優(yōu)勢。金屬銀摻雜的石墨烯在約500nm處

4、表現(xiàn)出大的吸收系數(shù)（α＞105cm-1),這使得它可用于各種應用，特別是作為光電子學中的潛在候選材料。
　　2.通過一種低成本、簡單髙效自上而下的嵌段共聚物自組裝方法制備石墨烯納米點結構陣列，研究了在中紅外光譜區(qū)域的石墨烯等離激元共振吸收。同時，為了進一步增強其對光的吸收能力，我們采用一種快速熱退火金膜制備金納米顆粒的方法，制備出石墨烯納米點結構陣列-金納米顆粒的復合結構。通過測量其紅外吸收，我們發(fā)現(xiàn)引入金納米顆?？梢酝貙挷⒃鰪娛?/p>

5、墨烯等離激元共振。此外，利用此石墨烯-金復合等離激元結構作為紅外光譜增強基底，實驗獲得了吸收振動10倍的信號增強以及對亞單原子層P E O分子的高靈敏檢測，同時表現(xiàn)出對比單一石墨烯納米點結構陣列更為寬譜增強的檢測能力，可具有安全和健康相關生物、化學傳感檢測潛力。
　　3.使用有限時域差分法（FDTD)模擬石墨烯納米點結構陣列中費米能級調(diào)節(jié)對其等離激元性能的影響，發(fā)現(xiàn)通過對石墨烯進行摻雜改變其費米能級，可實現(xiàn)對石墨烯等離激元共振的有

6、效調(diào)諧。系統(tǒng)研究金屬納米顆粒對石墨烯等離激元的影響，發(fā)現(xiàn)金屬納米顆粒的位置變化具有不同程度調(diào)控等離激元共振的作用，且表現(xiàn)出一種寬頻的等離激元共振性能。
　　4.采用溫和的常壓溶劑熱法，以乙二醇作為溶劑，改變銅、硒源的摩爾比，成功合成石墨烯之外的其他二維納米材料（銅硫族化物），最終獲得分別具有1.73eV及1.91eV的直接帶隙的六方晶系的CuSe和斜方晶系的CmSe的銅硫族化物。研究發(fā)現(xiàn)這種材料在可見光區(qū)域具有廣泛的直接帶隙吸收，