基于表面等离子体激元的纳米结构超吸收特性研究

CIOMP OpenIR

	基于表面等离子体激元的纳米结构超吸收特性研究
	李强
学位类型	博士
导师	巩岩 ; 高劲松
	2018
学位授予单位	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
学位授予地点	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
学位名称	博士
关键词	表面等离子体激元超吸收金属微纳结构电磁波时域有限差分
摘要	电磁波超吸收是指入射电磁能量在特定的波段内可以被有效地吸收,然后被转换成欧姆热量或者其它形式的能量。因此,当电磁波通过超吸收体时,不会产生透过和反射。传统的吸收层一般是由较厚的高损耗吸收材料制作而成,无法实现可调谐的超吸收,也不利于器件的集成化与微型化。随着微纳加工水平的提高,使得制作亚波长尺度金属微结构成为了现实,当入射电磁波和金属表面的自由电子耦合共振从而激发在金属与介质表面传播的表面等离子体极化激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs),这种表面波具有强烈的局域特性以及可调控特性,使得SPPs在超吸收材料、生物和化学传感器、非线性光学、超分辨等领域具有潜在的应用价值。而基于表面等离子体激元的超吸收材料具有可调控、高吸收、微型化、集成化的特点,可以提高传统光学器件的性能,例如发光器件、太阳能电池、传感器等,也更加利于器件的集成化与微型化,从而成为了近年来微纳光子学领域的研究热点。因此,本论文主要针对基于表面等离子体激元的纳米结构超吸收特性开展了一系列的研究工作。本论文首先针对基于表面等离子体激元的超吸收研究发展情况进行了深入研究,详细介绍了其发展历史和最新国内外研究进展,对表面等离子体激元的理论、微结构的设计方法以及制备技术进行了详细认真的调研分析和归纳总结。基于麦克斯韦方程组及其边界条件在理论上讨论了SPPs激发的条件,并且研究了实现超吸收特性的物理机制。在此基础上本论文先从超薄薄膜实现超吸收入手,利用超薄金属薄膜结构实现窄带超吸收,并对薄膜优化设计以及超吸收的物理机制进行了深入的讨论,最后利用磁控溅射镀膜手段,成功实现了可见光波段的窄带超吸收;然后利用微球自组装手段制作了金属纳米孔阵列,在可见光与近红外波段实现基于表面等离子体激元的超吸收特性,并对其激发的电磁模式进行了详细的讨论;最后利用微球自组装并结合反应离子束刻蚀技术,成功地在硅基底上制作了纳米锥阵列,并通过对其溅射超薄金膜(13 nm)的方式,实现了硅基材料在近红外波段(大于1100 nm)的吸收,克服硅材料本身禁带宽度的限制。同时在理论上提出了一种新型的硅金多层纳米锥状微结构,实现了800 nm-2000 nm的宽光谱大角度偏振不敏感的超吸收特性。论文的主要内容如下:1.设计了一种三层金属-介质-金属(MIM)的基于不对称法珀腔的窄带超吸收薄膜结构,实现可见光波段和近红外波段的窄带可调谐超吸收。在这个结构中,所选的两层金属银薄膜被一层无损耗二氧化硅薄膜隔开形成一个共振腔,底层Ag膜厚度100 nm,保证所有光没有透过,顶层银薄膜只有超薄的30 nm,这个厚度是经过优化得来的以保证最佳的吸收效果。利用传输矩阵和电磁波时域差分算法,详细的研究了中间二氧化硅薄膜的厚度与共振吸收峰波长的关系以及顶层超薄银膜厚度对吸收特性的影响。在模拟仿真确认最佳参数以后,采用磁控溅射镀膜工艺成功制备了窄带超吸收三层薄膜结构,吸收最高可达99.4%,最窄半波宽度为20 nm。我们深刻地分析了超吸收的原理:共振波长处的入射光在两层金属之间形成共振,不断地被两层金属Ag膜以欧姆损耗的形式损耗掉。2.在上述工作的基础上,我们将三层MIM结构中顶层薄膜制作成具有纳米孔阵列的结构薄膜。利用FDTD算法模拟纳米孔周期和半径对吸收峰位的影响,并且通过模拟的电磁场分布确认了结构中存在的传播型(SPPs)、局域型(LSPR)表面等离子体模式,以及由此带来的光学异常透射和超吸收现象。同时建立了理论模型,分析了单层和多层结构中的表面等离子体极化激元,理论计算与模拟仿真结果高度吻合。实验上我们获得了最高吸收在90%的基于表面等离子体激元的共振吸收,并且各吸收峰位与理论计算和数值模拟吻合,进一步验证了我们提出的理论模型的正确性。3.利用微球自组装并结合反应离子束刻蚀技术在硅片上制作了大面积的纳米锥阵列,有效地降低了硅片的表面反射,提高了硅片对可见光的利用率,并且进一步通过向纳米锥结构表面溅射超薄的金膜(13 nm),利用激发的SPPs、LSPR和腔模式显著地增强了硅在近红外波段(大于1100 nm)的吸收,克服了硅材料本身禁带宽度的限制,为以后实现硅基材料在近红外波段的应用奠定了基础。除此之外,提出了一种新型的金硅多层纳米锥状微结构,利用等效媒介理论构造的全新介电常数,实现了800 nm-2000 nm的宽光谱大角度偏振不敏感的超吸收特性,并且利用波导理论计算和数值仿真详细地分析了宽带超吸收的物理机制。4.在微纳结构的加工制作方面,我们讨论了现阶段主流微纳加工手段的发展状况以及优势劣势。在本论文中,我们结合自身条件选择了微球自组装方法,并摸索出全部制备工艺,成功地制作出了纳米孔和纳米锥微结构。这种方法制作微纳结构具有操作简单、低成本、高效率、大面积的优势。
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.ciomp.ac.cn/handle/181722/61613
专题	中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	李强. 基于表面等离子体激元的纳米结构超吸收特性研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所). 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所),2018.

条目包含的文件
文件名称/大小	文献类型	版本类型	开放类型	使用许可
基于表面等离子体激元的纳米结构超吸收特性（10497KB）	学位论文		开放获取	CC BY-NC-SA	请求全文