【摘要】：長(zhǎng)期以來,對(duì)光頻段電磁波的操作主要依賴于透鏡、棱鏡、光纖以及各種衍射元件等等。這些傳統(tǒng)光學(xué)器件具有體積大和集成性差的性能限制。天線具有亞波長(zhǎng)尺寸,能實(shí)現(xiàn)電磁波從無界自由空間到遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)的局域空間的能量耦合和轉(zhuǎn)換,同時(shí)對(duì)光波的振幅、相位和偏振等參數(shù)具有靈活的調(diào)控效應(yīng)。目前天線理論和技術(shù)在微波頻段已發(fā)展較為成熟,在微波的調(diào)控和應(yīng)用方面得到了廣泛應(yīng)用。發(fā)展光學(xué)波段的亞波長(zhǎng)天線對(duì)于探究光與人工結(jié)構(gòu)材料的相互作用以及研發(fā)新器件功能具有重要意義�；诜ú祭�-珀羅介質(zhì)天線和金屬微帶天線結(jié)構(gòu),本論文設(shè)計(jì)并制備了結(jié)構(gòu)顏色器件和分子傳感器件。這些新型光學(xué)器件均基于天線共振的基本原理,豐富了光學(xué)天線的器件功能,并揭示了相關(guān)器件機(jī)理。論文取得主要研究成果包括:1.基于法布里-珀羅介質(zhì)天線中的選擇性模式吸收原理,實(shí)現(xiàn)了無圖形化薄膜結(jié)構(gòu)的高純度結(jié)構(gòu)顏色器件�；谖锢斫Y(jié)構(gòu)的著色方法避免了傳統(tǒng)化學(xué)著色對(duì)材料本身的依賴,有望實(shí)現(xiàn)無污染的著色技術(shù),同時(shí)具有耐高溫和抗刮擦的性能優(yōu)勢(shì)。本論文通過在法布里-珀羅共振模式的波腹處放置超薄吸收材料,提出了波長(zhǎng)選擇性吸收和反射光譜裁剪方法。以結(jié)構(gòu)紅色為例,論文設(shè)計(jì)了SU-8/Ge/SU-8/Al三層膜結(jié)構(gòu),其中吸收材料Ge位于波長(zhǎng)為454 nm的駐波模式的波腹位置,同時(shí)能夠與該波長(zhǎng)臨近的法布里-珀羅共振模式的波腹重合。測(cè)試結(jié)果表明該法布里-珀羅介質(zhì)天線在400 nm至600 nm波長(zhǎng)之間具有寬帶近完美吸收,呈現(xiàn)出鮮艷紅色,其純度高達(dá)76%,比文獻(xiàn)報(bào)道的薄膜結(jié)構(gòu)提高了16%,這一結(jié)果與結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本昂貴的局域表面等離子體共振天線的結(jié)構(gòu)紅色的純度相當(dāng)。2.基于法布里-珀羅介質(zhì)天線的場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng),研制了無圖形化、薄膜結(jié)構(gòu)的分子指紋傳感器件。大多數(shù)有機(jī)分子在紅外波段具有基于分子振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)模式的特征吸收。表面增強(qiáng)紅外光譜技術(shù)(SEIRA)是目前最為常見的一種光學(xué)分子指紋檢測(cè)方法,其探測(cè)原理是基于納米金屬顆�；蛘呓饘偬炀�的局域等離子體共振模式,因此具有制備工藝復(fù)雜的限制。本論文提出一種無圖形化、薄膜結(jié)構(gòu)的分子指紋傳感器件,其結(jié)構(gòu)由金屬襯底上的單層硒化鋅(ZnSe)薄膜組成,ZnSe薄膜厚度設(shè)計(jì)為分子特征吸收波長(zhǎng)的四分之一。論文揭示了該薄膜介質(zhì)腔在不同偏振和不同角度條件下的共振模式特點(diǎn)和表面電場(chǎng)特性。結(jié)果表明s偏振共振模式在大角度時(shí)具有約兩倍的表面電場(chǎng)增強(qiáng)因子,同時(shí)具有高品質(zhì)因子,適合于分子指紋探測(cè)。本論文以自組裝的十八硫醇(ODT)單層分子為例,實(shí)現(xiàn)了其CH_2和CH_3伸縮振動(dòng)模式檢測(cè),在s偏振和75°入射角時(shí),測(cè)得的特征峰響應(yīng)信號(hào)高達(dá)8.54%,與金屬納米結(jié)構(gòu)中報(bào)道的信號(hào)強(qiáng)度相當(dāng),這一高探測(cè)靈敏度源于介質(zhì)天線光學(xué)共振模式與分子化學(xué)鍵共振之間的能量耦合和轉(zhuǎn)換機(jī)制。3.基于金屬微帶天線中的局域和傳播表面等離子體模式,實(shí)現(xiàn)了單層分子的中紅外折射率傳感�；诓ㄩL(zhǎng)的依賴特性,金屬表面等離子體一般被認(rèn)為在可見光和近紅外具有較好的場(chǎng)束縛性質(zhì),而在波長(zhǎng)較長(zhǎng)的中紅外波段,光場(chǎng)的束縛性變差,因此很少應(yīng)用于中紅外分子傳感。論文探究了金屬表面等離子體在中紅外的分子折射率傳感特性,理論和實(shí)驗(yàn)都證明中紅外表面等離子體具有單層分子的探測(cè)靈敏度。論文設(shè)計(jì)的金屬微帶天線由金屬/硒化鋅/金屬微帶陣列三層結(jié)構(gòu)組成,該金屬微帶天線在3μm-9μm波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有局域表面等離子體模式和傳播表面等離子體模式;當(dāng)通過分子自組裝過程在該天線器件上附著單層十八硫醇(ODT)分子時(shí),局域和傳播表面等離子體模式都發(fā)生波長(zhǎng)紅移,其中局域表面等離子體由于具有較好的場(chǎng)局限性和表面電場(chǎng)增強(qiáng)特性,比傳播表面等離子體模式表現(xiàn)出更大的波長(zhǎng)紅移。論文提出的金屬微帶天線分子傳感器工作在紅外分子指紋區(qū)之外的光譜范圍,不需要分子指紋和等離子體模式之間的頻率匹配,因此對(duì)等離子體模式的共振頻率微小變化不敏感,在一定范圍內(nèi)能兼容微納加工的尺寸誤差。
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TP212;TN822
【圖文】：

現(xiàn)對(duì)光波的傳輸和性能控制。這些傳統(tǒng)光學(xué)元件體積大，一般在光路系統(tǒng)中作為分離元件使用，在小型化和集成化應(yīng)用方面具有局限性。隨著微納制造技術(shù)的迅速發(fā)展，亞波長(zhǎng)光學(xué)天線的出現(xiàn)為新型光學(xué)器件的研制開辟了一條新思路。光學(xué)天線具有納米尺度的場(chǎng)局域特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)光從無邊界自由空間到納米局域空間的能量耦合和轉(zhuǎn)換，同時(shí)為光波的振幅、相位和偏振等性能參數(shù)的調(diào)控提供了有效方法，有望實(shí)現(xiàn)小型化和集成化的新功能光學(xué)器件。1.1.1 光學(xué)天線概述天線理論和技術(shù)在射頻和微波波段發(fā)展較為成熟，相繼出現(xiàn)了振子天線、引向天線、螺旋天線、喇叭天線和八木天線等，已廣泛應(yīng)用于電磁波的輻射、傳輸、控制和接收。最典型、使用最為廣泛的一種是半波長(zhǎng)偶極子天線（DipoleAntenna），其結(jié)構(gòu)如圖 1-1 所示，由一對(duì)對(duì)稱放置的金屬導(dǎo)體構(gòu)成，導(dǎo)體相互靠近的兩端分別與饋電線相連，整個(gè)導(dǎo)體的長(zhǎng)度大致為共振波長(zhǎng)的一半，電流分布具有駐波的形式。將類似的微波天線概念引入到光學(xué)波段，對(duì)于探索光與人工結(jié)構(gòu)材料相互作用過程中的新效應(yīng)以及發(fā)展新功能光學(xué)器件具有重要研究?jī)r(jià)值。

圖 1-2Au 在不同頻段的電導(dǎo)率特性[3]了典型金屬金（Au）在不同頻段的電導(dǎo)率[3]。在微率保持為常數(shù) 107S/m，表現(xiàn)為理想金屬導(dǎo)電性能紅外和可見光波段時(shí)，其電導(dǎo)率實(shí)部開始減小，同013Hz 以上甚至超過了實(shí)部，表現(xiàn)出非理想導(dǎo)電特質(zhì)，天線與光波相互作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生如圖 1-3 所示的的尺寸通常比按波長(zhǎng)等比例縮放的尺寸更小，同時(shí)圖 1-3 金屬棒的表面等離子體激化示意圖[4]

圖 1-2Au 在不同頻段的電導(dǎo)率特性[3]了典型金屬金（Au）在不同頻段的電導(dǎo)率[3]。在率保持為常數(shù) 107S/m，表現(xiàn)為理想金屬導(dǎo)電性紅外和可見光波段時(shí)，其電導(dǎo)率實(shí)部開始減小，013Hz 以上甚至超過了實(shí)部，表現(xiàn)出非理想導(dǎo)電質(zhì)，天線與光波相互作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生如圖 1-3 所示的尺寸通常比按波長(zhǎng)等比例縮放的尺寸更小，同

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本文編號(hào)：2748803