基于金屬納米結構的光場調制方法研究.pdf

1、金屬納米結構具有眾多特殊的電磁特性,在光學傳感、生物檢測、光伏器件以及表面增強拉曼光譜等領域具有廣泛的應用前景。作為構建新一代納米光學器件的重要組成部分,金屬納米結構是克服光學衍射極限,實現(xiàn)高性能、微型化和高效率的集成光學系統(tǒng)的關鍵元件,其優(yōu)異的性能源于金屬納米結構中表面等離子體的光場調制作用。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)對光場的調節(jié)與操縱,從而制作出更小、更快、更輕的光學器件,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的快速發(fā)展,基于金屬納米結構的等離子體光學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制能力的新型器件。然而現(xiàn)階段人們對金屬納米結構光學器件及其應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構器件制作工藝復雜,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構器件的產業(yè)化生產和在實際領域的大規(guī)模應用。
　　本課題“基于金屬納米結構中表面等離子體的光場調制方法研究”

3、圍繞金屬/電介質多層膜納米結構的近場和遠場區(qū)域的光學性質,從光場調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漏斗效應等應用前景廣泛的領域展開深入系統(tǒng)的研究,對促進我國納米光子學器件和相關納米技術的發(fā)展起到積極的推動作用。
　　本論文的主要研究內容和創(chuàng)新性工作包括:
　　1.研究多層膜金屬納米結構近場光學調制能力。系統(tǒng)的討論等效介質理論模型在分析有限層金屬/電介質多層膜結構時的局限性,為等離子體干涉光刻器件

4、的設計優(yōu)化和實際應用提供理論上的指導;進一步提出從波導耦合的角度分析表面等離子體在金屬/電介質多層膜結構中的傳播特性,在此基礎上通過有限元數(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.設計并制作一種基于金屬/電介質/金屬(MIM)波導結構的新型可見光波段的寬波段光吸收器。從MIM結構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、所設計的結構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域有重要的潛在應用價值。
　　3.通過理論和實驗闡述一種金屬/電介質多層膜結構中的光學漏斗效應。利用金屬/電介質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漏斗現(xiàn)象的應用范圍,研究不同深度