高深寬比金納米孔陣列的構(gòu)筑及量子點(diǎn)補(bǔ)償?shù)入x激元阻尼的研究.pdf

1、表面等離激元具有對環(huán)境折射率改變極度敏感、在衍射極限下聚集光、超快響應(yīng)和增強(qiáng)物質(zhì)之間的相互作用等諸多優(yōu)良光學(xué)特性，并且具有較高的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)自由度（可通過調(diào)控結(jié)構(gòu)控制性質(zhì)）。因此具有表面等離激元特性的納米結(jié)構(gòu)在太陽能電池、生物傳感、醫(yī)療和國防安全等多個領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。但是表面等離激元的輻射衰減損耗和非輻射衰減損耗（形成電子空穴對）。目前減小光損耗的方法主要包括：1）發(fā)展低損耗材料，例如石墨烯、半導(dǎo)體摻雜材料和金屬合金等；2）利用增益介質(zhì)與

2、金屬納米結(jié)構(gòu)之間的有效結(jié)合補(bǔ)償金屬納米結(jié)構(gòu)的光損耗。其中增益介質(zhì)與特定模式的表面等離激元之間能夠建立一種有效的選擇反饋機(jī)制，在這種機(jī)制下能夠選擇特定的（或幾個）表面等離激元振蕩模式最終形成等離激元受激輻射放大，處于受激輻射狀態(tài)的表面等離激元會形成較高的局域電場，從而可以用于高性能傳感器的制備。在這種機(jī)制中，要產(chǎn)生表面等離激元受激輻射，需要能夠有效調(diào)控增益介質(zhì)與局域表面等離激元熱點(diǎn)之間的間距，達(dá)到共振能量轉(zhuǎn)移條件。另外納米孔陣列結(jié)構(gòu)可以實(shí)

3、現(xiàn)器件的集成化而成為備受關(guān)注的具有表面等離激元特性的納米陣列結(jié)構(gòu)之一。目前在其制備方面還需要進(jìn)一步提升制備效率和質(zhì)量。因此構(gòu)筑大面積高度有序的金納米陣列結(jié)構(gòu)，有效調(diào)控其結(jié)構(gòu)控制熱點(diǎn)分布，并增益介質(zhì)有效結(jié)合減少其光學(xué)損耗，是本論文開展研究的重要依據(jù)。
　　本文主要關(guān)注金納米孔陣列結(jié)構(gòu)的制備以及如何減少金納米孔陣列中結(jié)構(gòu)損耗和本征損耗方面。具體通過自制裝置改進(jìn)膠體球模板的制備方法，有效提高膠體球模板的制備效率和制備質(zhì)量，為減小金納米孔

4、陣列中結(jié)構(gòu)缺陷打下良好基礎(chǔ)。利用 PMMA對周期結(jié)構(gòu)進(jìn)行轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)了對納米結(jié)構(gòu)的可控構(gòu)筑，并研究了幾何結(jié)構(gòu)對納米孔陣列光損耗的影響。利用量子點(diǎn)作為增益介質(zhì)，研究其對金納米材料固有損耗的補(bǔ)償作用。主要研究內(nèi)容分為以下三個方面：
　?。?）大面積膠體球掩膜板的高效制備。本章根據(jù)已有的固體表面膠體球自組裝和氣液界面自組裝方法，改進(jìn)了聚苯乙烯微球在氣液界面自組裝裝置，并研究了溫度和pH值對成膜質(zhì)量的影響，實(shí)現(xiàn)了大粒徑跨度的聚苯乙烯微球自組

5、裝。分別獲得了100、300、870和1370 nm大面積聚苯乙烯單層膜以及100-870 nm和100-1370 nm兩種PS球自組裝形成的二元結(jié)構(gòu)單層膜。自組裝膜的大小約100 cm2，其面積大小主要受水槽面積限制。另外通過調(diào)節(jié)溫度和pH值，可以得到具有大面積宏觀尺度（0.5 mm2）的單疇結(jié)構(gòu)。
　?。?）高深寬比金納米孔陣列結(jié)構(gòu)的制備及其光學(xué)性能的研究。利用PMMA對高度有序的聚苯乙烯微球陣列結(jié)構(gòu)進(jìn)行轉(zhuǎn)移后，得到納米柱陣列

6、結(jié)構(gòu)。以納米柱陣列為掩模板，可以突破納米球刻蝕技術(shù)對粒徑和厚度的限制，實(shí)現(xiàn)對高深寬比納米孔陣列的可控制備。納米結(jié)構(gòu)的特征不同，形成的熱點(diǎn)的位置也會有很大變化，利用FDTD模擬發(fā)現(xiàn)，厚度為30 nm的納米孔陣列結(jié)構(gòu)的局域表面等離激元處場強(qiáng)分布較大，且集中在基底與金納米孔邊沿接觸的位置。厚度為120 nm的納米孔陣列，表面等離激元處場強(qiáng)分布較大。納米孔陣列的靈敏度與場強(qiáng)大小成正比，因此不同厚度的金納米孔陣列其表面等離激元的靈敏都有很大差別。

7、模擬和實(shí)驗(yàn)都證實(shí)了高折射率介質(zhì)對表面等離激元的電場束縛較強(qiáng)，可利用這種特性制備多層膜結(jié)構(gòu)，獲得靈敏度較高的納米孔陣列結(jié)構(gòu)。
　　（3）金納米孔復(fù)合陣列結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑及其光學(xué)性能研究。表面等離激元極易損耗，大大影響了其在相關(guān)應(yīng)用方面的發(fā)展。本文利用量子點(diǎn)作為增益介質(zhì)，根據(jù)納米孔陣列結(jié)構(gòu)中熱點(diǎn)分布特點(diǎn)和折射率對熱點(diǎn)分布的影響，設(shè)計(jì)并構(gòu)筑表面具有熱點(diǎn)的金納米孔陣列結(jié)構(gòu)，并初步研究了其光學(xué)增益性質(zhì)。研究結(jié)果表明，金-量子點(diǎn)-金多層膜納米孔陣列