本文選題：光學(xué)天線　切入點(diǎn)：表面等離激元　出處：《中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：光學(xué)天線作為微波／射頻天線在光學(xué)波段的延伸,可以在亞波長(zhǎng)尺度上對(duì)光場(chǎng)進(jìn)行調(diào)控,因而得到了廣泛關(guān)注,它可以應(yīng)用于近場(chǎng)光刻,近場(chǎng)顯微,納米操縱和非線性光學(xué)等眾多領(lǐng)域。在眾多的光學(xué)天線類型中,領(lǐng)結(jié)形納米孔光學(xué)天線由于其超透射特性和產(chǎn)生局域增強(qiáng)光點(diǎn)的能力而格外引入注目。本文基于領(lǐng)結(jié)形納米孔光學(xué)天線的近場(chǎng)局域增強(qiáng)特性,提出了一種新的背面刻蝕的加工方法,可以得到間隙寬度小于16 nm的領(lǐng)結(jié)形納米孔,進(jìn)而大大提高其近場(chǎng)局域特性。之后將這種加工方法應(yīng)用于近場(chǎng)掃描光刻的模板制備中,實(shí)現(xiàn)了16 nm的加工分辨率。然后我們對(duì)領(lǐng)結(jié)形納米孔的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行拓展,將出射面間隙處用金屬橋相連,從而實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)和磁場(chǎng)的同時(shí)局域增強(qiáng)。最后我們進(jìn)一步擴(kuò)展其結(jié)構(gòu)形式,通過(guò)將多個(gè)領(lǐng)結(jié)形納米孔串聯(lián),產(chǎn)生法諾諧振,實(shí)現(xiàn)對(duì)波長(zhǎng)的納米尺度選擇。本論文工作對(duì)改良光學(xué)天線的制備工藝,實(shí)現(xiàn)高分辨率,低成本的納米制造技術(shù)以及光學(xué)超材料的研究有重要意義。具體研究?jī)?nèi)容如下：1.對(duì)領(lǐng)結(jié)形光學(xué)天線的光學(xué)特性進(jìn)行了研究,并分析其內(nèi)在的物理機(jī)理,在此基礎(chǔ)上提出出射面間隙寬度作為影響近場(chǎng)局域增強(qiáng)特性的關(guān)鍵指標(biāo)。分析了聚焦離子束加工中的非陡直側(cè)壁產(chǎn)生的物理機(jī)理及其對(duì)出射面間隙寬度產(chǎn)生的展寬效應(yīng)。據(jù)此提出了背面刻蝕的方法解決了非陡直側(cè)壁的影響,制備出間隙尺寸穩(wěn)定小于16nm的領(lǐng)結(jié)形納米孔。用時(shí)域有限差分的仿真方法和散射式近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡的實(shí)驗(yàn)方法分別研究其近場(chǎng)特性,并與正面刻蝕方法制備的納米孔進(jìn)行對(duì)比,表明其具有更加優(yōu)越的近場(chǎng)局域特性。進(jìn)一步將鄰近加工方法與背面刻蝕方法相結(jié)合,制備出間隙尺度小于5 nm的領(lǐng)結(jié)形納米孔光學(xué)天線。2.將背面刻蝕的方法應(yīng)用[于近場(chǎng)掃描光刻的模板力工中,制備出間隙寬度穩(wěn)定小于15 nm的領(lǐng)結(jié)形納米孔。利用調(diào)制傳遞函數(shù),計(jì)算和比較背面刻蝕和正面刻蝕加工出的納米孔可以實(shí)現(xiàn)的光刻分辨率。引入柔性平臺(tái)技術(shù),控制模板與光刻膠的接觸,并搭建一套近場(chǎng)掃描光刻系統(tǒng)。在實(shí)驗(yàn)中比較兩種加工方法加工的領(lǐng)結(jié)形納米孔應(yīng)用于近場(chǎng)光刻的分辨率以及納米孔間隙尺寸對(duì)分辨率的影響,并與理論分析的結(jié)果對(duì)比。最終通過(guò)優(yōu)化曝光參數(shù)和掃描速度,得到16 nm的加工分辨率。3.擴(kuò)展領(lǐng)結(jié)形納米孔光學(xué)天線的結(jié)構(gòu)形式,將出射面間隙用金屬橋相連,實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)和磁場(chǎng)的同時(shí)局域增強(qiáng)并用光學(xué)電路理論和虛擬電流環(huán)理論進(jìn)行解釋。研究橋的三維尺寸和金屬膜厚度對(duì)電場(chǎng)和磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響,進(jìn)一步研究其內(nèi)在的物理機(jī)理,并對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。得到金屬橋上表面最大電場(chǎng)增強(qiáng)和磁場(chǎng)增強(qiáng)分別為585和170,金屬橋下表面分別為5200和1439。而在x,y方向上,電場(chǎng)的半高寬為46 nm和64 nm,磁場(chǎng)為32 nm和34 nm。并用背面刻蝕的方法加工出參數(shù)可調(diào)的橋連領(lǐng)結(jié)形納米孔光學(xué)天線,提出測(cè)量近場(chǎng)電場(chǎng)和磁場(chǎng)分布的實(shí)驗(yàn)方案。4.進(jìn)一步擴(kuò)展領(lǐng)結(jié)形納米孔光學(xué)天線,將多個(gè)領(lǐng)結(jié)形納米孔串聯(lián),實(shí)現(xiàn)納米尺度的波長(zhǎng)選擇.該結(jié)構(gòu)在垂直入射光激勵(lì)下,產(chǎn)生超輻射寬譜偶極子模式和亞輻射窄譜多極子模式,兩種模式干涉產(chǎn)生法諾諧振峰。時(shí)域有限差分仿真和散射式近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡測(cè)量表明,在法諾諧振峰附近,法諾諧振情況發(fā)生明顯變化,導(dǎo)致近場(chǎng)幅值和相位分布改變。綜合分析幅值和相位信息,可以對(duì)法諾諧振的物理機(jī)理進(jìn)行研究。這種近場(chǎng)分布的變化,可以應(yīng)用于納米尺度的波長(zhǎng)選擇,不同波長(zhǎng)的入射光選擇性通過(guò)不同通道。利用波長(zhǎng)選擇比,對(duì)波長(zhǎng)選擇特性進(jìn)行定量表征。本論文的創(chuàng)新點(diǎn)：1.提出了背面刻蝕的加工方法,制備間隙寬度小于16 nm的領(lǐng)結(jié)形納米孔光學(xué)天線,并用散射式近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡進(jìn)行高分辨率近場(chǎng)表征。并將這種背面刻蝕加工的具有優(yōu)越近場(chǎng)局域性能的納米孔用于掃描近場(chǎng)光刻,結(jié)合柔性平臺(tái)技術(shù),實(shí)現(xiàn)了16nm分辨率的近場(chǎng)掃描光刻。2.設(shè)計(jì)了新型橋連領(lǐng)結(jié)形納米孔光學(xué)天線,實(shí)現(xiàn)對(duì)電場(chǎng)和磁場(chǎng)的同時(shí)局域增強(qiáng),并利用光學(xué)電路理論和虛擬電流環(huán)理論進(jìn)行解釋,研究橋的三維尺寸和金屬膜厚對(duì)電場(chǎng)和磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響,并優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)。3.設(shè)計(jì)了新型多領(lǐng)結(jié)形納米孔光學(xué)天線,通過(guò)法諾諧振的產(chǎn)生,實(shí)現(xiàn)納米尺度的波長(zhǎng)選擇,并利用多波長(zhǎng)散射式近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡對(duì)其近場(chǎng)幅值和相位進(jìn)行表征,研究其內(nèi)在物理機(jī)理。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TN826

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