Ag纳米孔阵列的制备及其光学的性能研究文献综述.doc

四川理工学院本科毕业论文 文献综述 学 生： 子 涵 学 号：1203102 专 业：材料科学与工程 班 级：12.1 指导老师： 力 四川理工学院 材料科学与工程学院 二〇 年 月 摘 要 关键词：；1前言 2 金属纳米孔阵列 2.1金属纳米孔阵列的 对光和物质之间相互作用的理解和控制，一直是光学领域中十分重要的研究课题。随着纳米技术的发展，人们发现具有几何各向异性的金属纳米结构拥有很多优秀的光学特性[2-7]。但是单个金属纳米孔结构的光学特性略弱，不利于研究，也不适于应用。光学特性的响应会被杂乱无章的纳米结构群干扰。而且重复性不好，可控性和规律性很差。周期性金属纳米结构的表面等离子体光子学特性是由多个金属纳米结构近场耦合造成的集体光学特性响应。方便于重复实现，而且还能明显增强光学信号，为研究等离子光子学开辟了新的道路[3-6]。 当红外光或者可见光照射到金属纳米孔阵列结构上时，在入射光的电磁场的作用下金属表面的自由电子发生周期性涨落。引起集体震荡，产生了沿着金属表面传播的表面等离子激元(SPPs)[4-9]。当入射光的频率与金属表面自由电子的原有频率开始相同时，入射光的能量被大量耦合进金属纳米孔阵列结构。导致金属纳米孔阵列结构表面的局域电磁场大幅增加，此时入射光和相干的电子发生共振，即表面等离子共振(SPR)[5-11]。 同时，周期性金属纳米孔阵列结构的“周期性”特点，又让其拥有光子晶体的特性，可以通过改变其缺陷（占空比）和周期等条件，对其光学效应及电磁学效应进行改变。通过激发及改变这些效应，使电和光的功能在同一个微纳元件上的集成变得很有可能。因此多种形貌的金属纳米孔阵列的制备方法和其光学特性的研究成为近年来纳米学领域研究的热点之一[6-8]。下图1-1为金属纳米孔阵列的结构示意图。 图1-1 金属亚波长孔阵列 2.2 国内外对金属纳米孔阵列的研究 1998年，Ebbesen等人在研究Ag膜上的亚波长圆孔阵列的光学特性时。发现当具有亚波长小孔阵列结构的金属薄膜被一束平行光照射时，在特定波长处表现出异常的透射增强效应[8]。他们先在石英基底上沉积了一层厚度为200nm的Ag。然后用聚焦离子束刻蚀法(FIB)在Ag膜上刻出圆孔阵列。阵列呈四方排列，周期为900nm、孔径150nm。将宽带入射光垂直照射在阵列基底上，并在另外一侧收集透射光，得到如图1-2所示透射谱。 从图谱中可以看到，在200nm~2000nm波长范围内出现了多个透射峰，峰值透射率已经超出理论计算值。以波长1370nm处出现的透射峰为例。透过Ag孔阵列的光能超过了照射到圆孔面积上的光能的2倍。在图中可以看到，在此波长处时机测得的数值超过了4%。也就是说已经出现了超强光透射现象(EOT)[9]。随后，许多研究人员其中包括Ebbesen在内，非常深入的研究和测试了该现象。研究结果表明，金属表面等离子共振(SPR)与EOT现象的产生有很大的关系。Grupp 等人在2000年的研究中进一步表明，金属前后两个表面上的等离子体的极化是导致这种超强透射的原因[10]。 图1-2 Ag纳米孔阵列的透射图谱 2002年，武汉大学的汪国平、易永祥等对金属纳米小孔阵列的光谱透过率特征进行数值模拟，分析Ebbesen等人实验发现的物理机理[7]。计算模型如图1-3所示。一层金属薄膜镀在电介质的基底上。一些具有周期性的方孔阵列在金属薄膜上体现出来。孔内是空气。小孔的边长.孔阵列的周期.基底与金属薄膜的厚度分别是d,L,h与h。一束垂直于金属薄膜表面入射的TM平面波用来照明。 图1-3 二维方孔阵列金属薄膜模型 图1-4(a)是Ag膜上圆孔阵列的透射光谱实验结果，孔阵列的周期L=750nm、小孔直径280nm、Ag膜厚度h=320nm。图1-4(b)是模拟计算Ag膜上方孔阵列的透射光谱。计算中取方孔的边长d=300nm、Ag膜厚度h=320nm。透射峰值比实验测得的透过率峰值要大，可归结于小孔大小的不同：小孔越大，峰值透过率越高[7]。 图1-4 Ag膜上小孔阵列的透射光谱 图1-5是小孔阵列在不同Ag膜厚度条件下测出的透射光谱。由图1-5可以发现，在波长800nm处有一峰值透过率。当方孔边长d和Ag膜厚度h分别为300和360nm时h=360nm时［图1-5(a)］。增强因子（在Ag膜里小孔所占面积比例与透过率的比值）在此透射峰时略为4.6。该透射峰值随着Ag膜厚度的增加而下降。但是峰值波长的位置基本保持不变。这与一维金属光栅透射光谱的行为明显不同[11,17]。一维金属光栅透射光谱随光栅厚度的增加而发生了明显的波长漂移，这是由于光栅狭缝所构成的F-P腔的长度随着金属薄膜厚度的变化而发生变化[11]。因此，狭缝中的电磁场模式受F-P共振条件的约束