發(fā)布時間：2018-02-28 14:51

  本文關鍵詞： 表面等離子體 局域表面等離子體 傳導型表面等離子體 集成化等離子體增強拉曼光譜儀 平板波導消逝場　出處：《吉林大學》2017年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：上世紀六十年代,表面等離子體(Surface plasmons,SPs)的概念被美國理論物理學家R.H.Ritchie正式提出,隨后這種位于金屬與介質分界面處的電子集體振蕩行為吸引了全世界科學家的目光。SPs效應可在界面處產生一種傳播的消逝場。該現象因對介質折射率敏感而被廣泛應用于生化表界面?zhèn)鞲蟹治�。時至今日,表面等離子體共振(Surface plasmon resonance,SPR)傳感器仍然是運用廣泛的生物傳感器之一,并逐步向SPR成像拓展。二十一世紀初隨著納米技術的迅速崛起,人們發(fā)現SPs能夠突破衍射極限,進而對光電磁場傳播能量進行納米限域。這一驚人的特性隨后被應用于納米光子學研究領域,用以解決光子回路和電子電路之間互聯互通的瓶頸問題。盡管目前已經有報道闡述了基于SPs的電光調制器結構,然而在納微尺度上高效調控光傳播的器件仍然缺乏。另一方面SPs與表面增強拉曼散射(Surface-enhanced Raman scattering,SERS)效應密切關聯。SPR是SERS物理增強機制中最主要的模型,而SERS也是SPs最受關注的應用之一,研究SPs的近場和遠場行為是突破SERS技術三大科學挑戰(zhàn)(靈敏度,重復性和可靠性)的關鍵。以往的SERS研究主要集中在SERS基底的制備上,而SERS基底和光學元件之間的匹配性卻總被忽略。這導致SERS新增強原理和結構的發(fā)掘遲滯。本文正是基于以上這些科學問題,基于納微尺度內SPs的耦合機制設計光子學器件、開發(fā)關鍵SERS技術,主要內容分成以下三個方面:1.利用SPs對折射率敏感的性質,設計和制備一種主動調制的等離子體器件。在一維銀光柵表面表面構筑液晶分子層的控制回路,實現對液晶分子取向可調控的主動調控功能的plasmon-coupled emission器件。這一器件可在納米尺度上實現外部電壓信號對透射光波長的主動、連續(xù)以及可逆調控。器件的透射波長動態(tài)調制范圍為17 nm,響應速度為4.24 ms,同時擁有較低的驅動電壓1.06 V/mm。這一研究為可調納米光子器件例如納米光源、納米開關等的設計打開了一個思路,詳見第二章。2.針對光學系統(tǒng)和SERS基底之間的匹配性問題,本部分工作提出了一種集成化等離子體增強拉曼光譜儀(integrated plasmon-enhanced Raman spectrograph,i PERS)的策略,能夠把SERS基底和光學系統(tǒng)有效地集成一體。納米粒子和膜系統(tǒng)(nanoparticle-on-film,NOF)在近場具有巨大電磁場增強,在遠場具有優(yōu)異的定向SERS發(fā)射行為。為了定向激發(fā)和收集SERS信號,我們自行設計了一種消色差固浸鏡頭作為i PERS系統(tǒng)的核心部件。i PERS系統(tǒng)對位于NOF基底縫隙中的單層對巰基苯胺分子的檢測結果表明儀器能夠監(jiān)測納米尺度內的光催化反應,表明i PERS系統(tǒng)在界面化學反應監(jiān)測方面的光明未來,詳見第三章。3.納米粒子附近的局域表面等離子體(Localized surface plasmons,LSPs)是SERS檢測的關鍵。在過去的幾十年中,人們研究了納米粒子的尺寸、形貌和聚集情況對SERS增強的影響,但是很少討論用于激發(fā)LSPs的電磁場。本部分工作采用平板波導產生的消逝場激發(fā)納米點陣列結構上的LSPs。和直接激發(fā)相比,采用平板波導消逝場激發(fā)模式能夠進一步將SERS信號強度提高1-2個數量級。另外基于波導消逝場激發(fā)的LSPs,其近場分布極度依賴入射光的偏振方向。隨著入射光偏振的變化,納米粒子上LSPs產生位置會隨之出現在納米粒子兩端或者底部,并能夠維持較高的局域電場增強。這項技術提供了一種進一步提高并靈活運用貴金屬納米粒子SERS、SHINERS甚至TERS技術的思路,詳見第四章。
[Abstract]:Surface plasmons ( SPs ) are widely used in surface plasmon resonance imaging ( SERS ) . In the past few decades , we have studied the influence of the size , morphology and aggregation of the i PERS system on SERS enhancement .

【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TN761;O657.37

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本文編號：1547753