基于金屬納米結(jié)構(gòu)的光場調(diào)制方法研究.pdf

1、金屬納米結(jié)構(gòu)具有眾多特殊的電磁特性,在光學(xué)傳感、生物檢測、光伏器件以及表面增強拉曼光譜等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。作為構(gòu)建新一代納米光學(xué)器件的重要組成部分,金屬納米結(jié)構(gòu)是克服光學(xué)衍射極限,實現(xiàn)高性能、微型化和高效率的集成光學(xué)系統(tǒng)的關(guān)鍵元件,其優(yōu)異的性能源于金屬納米結(jié)構(gòu)中表面等離子體的光場調(diào)制作用。利用表面等離子體的高度局域性和亞波長特性,可以在納米尺度實現(xiàn)對光場的調(diào)節(jié)與操縱,從而制作出更小、更快、更輕的光學(xué)器件,并能實現(xiàn)一些傳統(tǒng)器件難以實

2、現(xiàn)的功能。近年來,隨著微納米加工和表征技術(shù)的快速發(fā)展,基于金屬納米結(jié)構(gòu)的等離子體光學(xué)器件的研究取得了巨大的進展,涌現(xiàn)出許多具有特殊的光場調(diào)制能力的新型器件。然而現(xiàn)階段人們對金屬納米結(jié)構(gòu)光學(xué)器件及其應(yīng)用的研究總體上還不完善,現(xiàn)已提出的大部分金屬納米結(jié)構(gòu)器件制作工藝復(fù)雜,缺乏高效率的低成本批量加工方法,這些都將極大制約金屬納米結(jié)構(gòu)器件的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)和在實際領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用。
　　本課題“基于金屬納米結(jié)構(gòu)中表面等離子體的光場調(diào)制方法研究”

3、圍繞金屬/電介質(zhì)多層膜納米結(jié)構(gòu)的近場和遠(yuǎn)場區(qū)域的光學(xué)性質(zhì),從光場調(diào)制的角度選取深度亞波長干涉光刻、超薄型等離子體光吸收器件和光學(xué)漏斗效應(yīng)等應(yīng)用前景廣泛的領(lǐng)域展開深入系統(tǒng)的研究,對促進我國納米光子學(xué)器件和相關(guān)納米技術(shù)的發(fā)展起到積極的推動作用。
　　本論文的主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新性工作包括:
　　1.研究多層膜金屬納米結(jié)構(gòu)近場光學(xué)調(diào)制能力。系統(tǒng)的討論等效介質(zhì)理論模型在分析有限層金屬/電介質(zhì)多層膜結(jié)構(gòu)時的局限性,為等離子體干涉光刻器件

4、的設(shè)計優(yōu)化和實際應(yīng)用提供理論上的指導(dǎo);進一步提出從波導(dǎo)耦合的角度分析表面等離子體在金屬/電介質(zhì)多層膜結(jié)構(gòu)中的傳播特性,在此基礎(chǔ)上通過有限元數(shù)值仿真的方法提出并驗證一種亞波長等離子干涉光刻方法,顯著提高干涉圖案的對比度與圖案深度,降低所需光柵掩模版的加工難度。
　　2.設(shè)計并制作一種基于金屬/電介質(zhì)/金屬(MIM)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的新型可見光波段的寬波段光吸收器。從MIM結(jié)構(gòu)特殊的色散曲線和等離子體共振分析其原理,并從實驗角度去驗證該特性。

5、所設(shè)計的結(jié)構(gòu)具有平坦的吸收光譜和高效的光譜吸收效率,吸收光譜帶寬可拓展至整個可見光波段,在有機發(fā)光二極管和薄膜太陽能電池等領(lǐng)域有重要的潛在應(yīng)用價值。
　　3.通過理論和實驗闡述一種金屬/電介質(zhì)多層膜結(jié)構(gòu)中的光學(xué)漏斗效應(yīng)。利用金屬/電介質(zhì)多層膜中亞波長寬度的垂直溝槽,可將外部區(qū)域中的光場匯集到遠(yuǎn)小于入射光波衍射極限的區(qū)域中,在反射光譜的共振波長處可以得到反射率幾乎為零的波谷。此外拓展了單層金屬膜中光學(xué)漏斗現(xiàn)象的應(yīng)用范圍,研究不同深度