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等離激元紅外吸收器及表面增強(qiáng)紅外吸收光譜的研究

發(fā)布時間:2019-06-22 17:58
【摘要】:由于等離激元納米結(jié)構(gòu)對光的亞波長調(diào)控能力,等離激元在過去的二十年間受到廣泛的關(guān)注。表面等離激元是一種局域于金屬表面的電磁場與自由電子的耦合模式,發(fā)生于金屬和介質(zhì)分界面。利用等離激元模式,人們可以在納米尺度實(shí)現(xiàn)光場的傳導(dǎo),聚焦與增強(qiáng),為此在微納光學(xué)器件與傳感器領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。同時,利用金屬表面的微結(jié)構(gòu)可影響等離激元震蕩的性質(zhì),為此過去的二十年間,如何通過金屬納米結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與加工實(shí)現(xiàn)理想的納米光學(xué)性質(zhì),實(shí)現(xiàn)光在納米尺度調(diào)控一直被人們關(guān)注。近年來,研究人員在等離激元納米結(jié)構(gòu)以及能量的吸收過程方面進(jìn)行了大量的研究;诘入x激元的紅外吸收器,特別是在近紅外和中紅外的吸收器,由于它在生物傳感、熱成像、醫(yī)療診斷方面的廣泛應(yīng)用,引起了人們極大的興趣。過去幾年里,大量的納米結(jié)構(gòu)被應(yīng)用到等離激元吸收器的設(shè)計(jì)上,例如光柵結(jié)構(gòu)、納米顆粒以及金屬-介質(zhì)-金屬結(jié)構(gòu)等。但是,這些結(jié)構(gòu)多數(shù)只有一個等離激元共振峰,以及較低的吸收效率(50%)。因此,在本論文中我們設(shè)計(jì)了一個多共振吸收峰的等離激元超薄吸收器,并嘗試用這個吸收器研究分子的表面增強(qiáng)紅外吸收光譜。本論文研究的內(nèi)容和結(jié)果如下:(1)設(shè)計(jì)了一個基于等離激元納米諧振腔陣列的超薄紅外吸收器,利用諧振腔極高的局域電磁場增強(qiáng)特性,從而達(dá)到對入射光的完美吸收。利用時域有限差分法對納米諧振腔陣列進(jìn)行數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)吸收器的吸收峰隨著諧振腔長度的增加而出現(xiàn)紅移。為了得到多個連續(xù)變化的吸收峰,我們設(shè)計(jì)一個由15個等離激元納米諧振腔陣列組成的吸收器。(2)利用電子束曝光技術(shù),我們成功的制備了這個等離激元吸收器,并且深入的研究了電子束曝光工藝,包括曝光、顯影、鍍膜、剝離等過程。在制備的過程中,我們克服了曝光中的臨近效應(yīng)以及剝離失敗的問題。(3)用傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜儀對樣品進(jìn)行測量,獲得了樣品的紅外吸收光譜。結(jié)果發(fā)現(xiàn),制備的等離激元紅外吸收器具有15個連續(xù)變化的吸收峰,和我模擬的結(jié)果相同。通過最小二乘法進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合,我們發(fā)現(xiàn)了吸收峰位置與諧振腔長度之間的線性關(guān)系方程,這對于設(shè)計(jì)特定波長的吸收器具有重要意義。(4)我們利用設(shè)計(jì)的等離激元紅外吸收器較強(qiáng)的電磁場增強(qiáng)特性,來研究烯丙基硫醇分子的表面增強(qiáng)紅外吸收光譜。由于修飾的巰基分子較少并沒有探測到吸收增強(qiáng)的信號,但是我們以后還可以通過提高吸收器的吸收率以及更換修飾分子來繼續(xù)研究表面增強(qiáng)紅外吸收現(xiàn)象。我們這方面的工作,為以后進(jìn)一步研究表面增強(qiáng)紅外吸收以及表面增強(qiáng)拉曼散射奠定了基礎(chǔ)。
[Abstract]:Due to the ability of isoionized exciton nanostructures to regulate the subwavelength of light, isoexciton has received extensive attention in the past two decades. Surface isolator is a coupling mode of electromagnetic field and free electron localized on metal surface, which occurs at the interface between metal and medium. By using the equal exciton mode, the conduction, focusing and enhancement of the light field can be realized at the nanometer scale, so it has been widely used in the field of micro-nano optical devices and sensors. At the same time, the microstructure of metal surface can affect the properties of isobaric oscillations. In the past two decades, how to realize the ideal nano-optical properties through the design and processing of metal nanostructures, and how to realize the control of light at the nanometer scale have been paid more and more attention. In recent years, researchers have done a lot of research on isoexciton nanostructures and energy absorption processes. The infrared absorber based on isobaric exciton, especially in near infrared and middle infrared, has attracted great interest because of its wide application in biosensor, thermal imaging and medical diagnosis. In the past few years, a large number of nanostructures have been applied to the design of isolator absorbers, such as grating structure, nanoparticles and metal-dielectric-metal structures. However, most of these structures have only one equal exciton resonance peak and lower absorption efficiency (50%). Therefore, in this paper, we design an isolator ultra-thin absorber with multiple resonance absorption peaks, and try to use this absorber to study the surface enhanced infrared absorption spectra of molecules. The contents and results of this paper are as follows: (1) an ultra-thin infrared absorber based on equal exciter nanoresonator array is designed, which makes use of the extremely high local electromagnetic field enhancement characteristics of the resonator to achieve the perfect absorption of incident light. The finite-difference time-domain method is used to simulate the nanoresonator array. It is found that the absorption peak of the absorber shifts red with the increase of the cavity length. In order to obtain several continuously changing absorption peaks, we design an absorber composed of 15 isoionized exciter nanoresonator arrays. (2) by using electron beam exposure technology, we successfully fabricated the isobaric absorber, and deeply studied the electron beam exposure process, including exposure, development, coating, peeling and so on. In the process of preparation, we overcome the proximity effect in exposure and the problem of peeling failure. (3) the infrared absorption spectrum of the sample was obtained by Fourier transform infrared spectrometer. The results show that the isoexciton infrared absorber has 15 continuously varying absorption peaks, which is the same as that of my simulation. Through the data fitting of the least square method, we find the linear relationship equation between the position of the absorption peak and the length of the resonator, which is of great significance for the design of the absorber at a specific wavelength. (4) We use the strong electromagnetic field enhancement characteristics of the designed isoexciter infrared absorber to study the surface enhanced infrared absorption spectrum of allyl mercaptan molecules. Because there are few modified sulfhydryl molecules, there is no signal of enhanced absorption, but we can continue to study the phenomenon of surface enhanced infrared absorption by improving the absorptivity of the absorber and replacing the modified molecules in the future. Our work in this field lays a foundation for further study of surface enhanced infrared absorption and surface enhanced Raman scattering.
【學(xué)位授予單位】:南京大學(xué)
【學(xué)位級別】:碩士
【學(xué)位授予年份】:2016
【分類號】:TB383.1

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本文編號:2504828

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