金属纳米颗粒二聚体阵列的消光截面

相比单粒子阵列,金属纳米颗粒的二聚体阵列的共振效应受更多因素的影响,包括阵列的组成方式、二聚体的结构和朝向、粒子的形状、大小等,因此具有更好的可调性.本文基于修正长波近似法,通过引入两种粒子之间的阵列因子矩阵,修正了两种粒子的极化率,从而得到了二聚体阵列的消光截面的解析公式.在此基础上,讨论了整个阵列在不同偏振光激发下的共振的调制和偏振特性.     

多层金属纳米点阵的制备及其光学性质的研究

采用纳米球刻蚀法结合热蒸发技术制备了银和氧化硅交替层叠的纳米颗粒阵列. 扫描隧道显微镜测量结果表明, 该纳米阵列呈锥形多层结构. 分光光度计测量样品表明, 该纳米阵列在近红外波段存在明显的透射谷, 该透射谷来源于金属纳米颗粒局域等离激元的激发, 随着金属/介质层数的增多, 透射谷的位置向短波方向移动. 利用HFSS软件对该纳米阵列进行了仿真, 并分析了透射谷蓝移的原因. 关键词： 纳米球刻蚀技术 金属/介质纳米颗粒 表面等离子激元     

基于表面等离子体共振效应的荧光太阳集光器制备及其性能

金属纳米颗粒的表面等离子体共振效应能够对特定波长入射光的吸收或者散射增强,正因为其独特的光学性质,金属纳米颗粒被尝试应用于荧光太阳集光器.本文利用全无机钙钛矿CsPbBr3量子点、Au纳米颗粒和硫醇-烯聚合物制备荧光太阳集光器.研究发现,掺杂适量Au纳米颗粒可以通过表面等离子体共振效应提高全无机钙钛矿CsPbBr3量子...     

铝基银纳米阵列制备及其紫外-可见-近红外光吸收特性

基于阳极氧化铝模板,采用真空蒸镀技术,制备了高度有序的周期性银纳米球阵列.阵列几何结构参数调控实验发现,通过控制蒸镀厚度,可实现对阵列中银纳米球尺寸(直径)和间距的有效调控,进而有效实现对紫外-可见-近红外各波段吸收峰位和峰宽的调制.吸收光谱测试显示,该纳米阵列在紫外、可见和近红外波段都具有明显的电磁波吸收特性.时域有限差分理论模拟结合实验分析不同波段光吸收特性的物理机制,紫外超窄强吸收为银、铝介电环境非对称诱发的法诺共振,可见波段吸收源自于银纳米粒子局域表面等离子体共振,近红外波段强吸收为银纳米球阵列表面晶格共振所激发.     

半壳结构金纳米膜的局域表面等离子体共振效应

采用纳米模版印刷术和化学自组装技术制备了半壳结构的金粒子膜.利用场发射扫描电子显微镜和光谱仪等测试手段对样品的结构和光学性质进行了分析.研究发现，该结构的金膜所具有独特的局域表面等离子体共振效应取决于样品的粒子大小、间距等微观结构，且其峰值吸收波长对其周围环境介质的介电常数变化十分敏感.实验结果表明，粒子排列均匀的亚单层膜结构是控制光学性质稳定的关键. 关键词： 局域表面等离子体共振 半壳结构 纳米模版印刷术     

电阻热蒸发镀膜与电子束蒸发镀膜对纳米球刻蚀方法制备二维银纳米阵列结构的影响

在使用纳米球刻蚀法制备二维银纳米点阵的过程中,使用不同的镀膜方法在同样的模板上得到了不同形貌的银纳米阵列结构.使用电阻热蒸发镀膜方法获得了六角排列的银纳米三角形阵列结构,使用电子束蒸发镀膜方法则获得了六角排列的银纳米环阵列结构.研究表明,沉积纳米粒子的粒径、表面纳米曲率效应和热能是形成不同结构形貌的纳米阵列结构的关键因素. 关键词： 银纳米阵列 电阻热蒸发 电子束蒸发 纳米球刻蚀     

氧等离子体处理对GaAs表面单层自组装SiO2纳米球薄膜的影响

二维纳米阵列结构因其重要的光学性能被广泛应用于各类光电子器件。本文对自组装单层SiO2纳米球掩模刻蚀法制备GaAs纳米柱二维阵列结构的关键工艺技术进行了研究。采用旋涂法在GaAs表面制备自组装单层SiO2纳米球,重点研究了GaAs表面氧等离子体亲水处理工艺对纳米球排列特性的影响,获得最佳工艺条件为功率配比100 W+80 W、腔室压力4 Pa、氧气流量20 mL/min、处理时间1200 s,并最终得到排列紧密的大面积单层纳米球薄膜。以单层纳米球为掩模,采用感应耦合等离子体刻蚀技术在GaAs表面制备了纳米柱阵列并测试了其表面光反射谱。测试结果表明,GaAs纳米柱阵列在特定波段的反射率降低至5%,远低于表面无纳米结构的薄膜材料表面高达40%的光反射。分析表明纳米柱可以激发米氏散射共振效应,从而有效降低反射率并提升光吸收。     

利用Ag@SiO_2纳米粒子等离子体共振增强发光二极管辐射功率的数值研究

金属纳米粒子利用其局域表面等离子体共振效应(LSPR),可以增强附近荧光分子的自发辐射速率,因而在光学传感、光电器件等领域中具有潜在的应用价值.金属纳米粒子的LSPR与其自身的材料、形状、尺寸以及周围环境介质密切相关,这影响着纳米粒子在具体器件中的应用.本文利用三维时域有限差分法,研究了相同体积的球形、椭球形、立方形与三棱柱形银纳米粒子对薄膜发光二极管辐射功率的影响;计算了不同形状银纳米粒子对偶极子光源辐射功率和薄膜器件光出射强度的增强,并结合LSPR效应讨论了辐射功率变化的物理机理.研究结果表明:银纳米粒子自身形状尖锐程度的增加有利于提高LSPR的共振强度;同时纳米粒子的形状影响了LSPR共振电场与薄膜器件中偶极子辐射电场之间的耦合作用,其中立方形纳米粒子因为能实现最强的耦合作用而对器件的辐射功率增强最大.在此基础上进一步讨论了不同薄膜材料对LSPR共振及光源辐射功率的影响,发现较高的材料折射率有利于增强金属纳米粒子的LSPR与器件的耦合作用,从而改善发光二极管性能.     

多孔氧化铝膜上自组织生长Sn纳米点阵列的研究

以多孔阳极氧化铝膜(porous anodic alumina, PAA)为基片，采用真空电子束蒸发的方法在多孔氧化铝膜上制备了高度有序度的Sn纳米点阵列.锡纳米点阵的XRD与块体锡的完全相同，扫描电镜(SEM)测试结果表明，所制备的金属Sn纳米点阵与阳极氧化铝膜的多孔阵列具有完全相同的有序结构，阵列中每个Sn纳米粒子的形状为球形的，其直径接近于PAA膜的孔直径.对Sn纳米点阵形成过程和形成机理进行了讨论.     

利用银纳米立方增强效率的多层溶液加工白光有机发光二极管

金属纳米粒子的局域表面等离子体共振效应常被用于增强有机发光二极管中激子辐射强度,其增强效果与金属纳米粒子的共振波长、共振强度及其与激子之间的耦合密切相关.本文将具有较强局域表面等离子体共振效应的银纳米立方引入多层溶液加工白光有机发光二极管中提升器件性能.在传统的溶液加工有机发光二极管中,发光层主体一般具有较强的空穴传输性,因此激子主要在发光层/电子传输层界面附近复合.本文将银纳米立方掺入电子传输层中,使银纳米立方与激子之间产生充分的耦合作用,提高激子发光强度.对银纳米立方包裹二氧化硅外壳,一方面优化纳米立方与激子之间的距离,另一方面减小其对器件中电荷传输的影响.通过优化银纳米立方的浓度,多层溶液加工白光有机发光二极管的电流效率达到30.0 cd/A,是基础器件效率的2倍.另外,由于银纳米立方的等离子体共振光谱较宽,同时增强了白光中蓝光和黄光的强度,因此引入银纳米立方基本没有影响白光的色度.研究结果表明引入金属纳米粒子是提升多层溶液加工发光二极管性能的有效方法.     

采用银纳米圆盘阵列提高LED发光特性的研究

为了提高GaN基蓝光LED的发光效率,设计了在LED有源层上方引入银纳米圆盘阵列的模型。利用时域有限差分方法计算了银纳米圆盘阵列不同结构参数情况下LED有源层自发辐射率的变化情况及光提取效率值。通过对有源区的近场分布和LED远场方向性的分析,理论上解释了利用该金属纳米结构生成的表面等离激元对LED性能增强的影响,利用该模型可使得表面等离激元与有源层有效耦合,从而增强有源层的自发辐射率。此外,银纳米粒子组成的阵列结构所生成的栅格矢量可以补偿表面等离激元的波矢量,从而可将局域化表面等离激元转为辐射性表面等离激元,显著提高LED顶端光提取效率。结果表明,当银纳米圆盘颗粒满足直径为120nm,厚度为30nm时,含该结构的GaN基蓝光LED自发辐射率比普通LED增强了3.6倍。在此基础上,当其按照晶格常数为220nm的三角晶格排列时,顶端光提取效率增强为2.5倍。这些结果为实际的高性能GaN基LED的设计与优化提供了一定的参考。     

基于法布里-珀罗腔的纳米环滤光器

同轴纳米环结构由于具有特殊的光学特性, 近年来引起了科学界的广泛关注. 本文将重点研究在以纳米环形结构为基础的法布里-珀罗腔中所存 在的两种形式的表面等离子共振, 平面型和传输型. 通过使用固定圆环阵列的周期而只改变圆环孔径大小的方法来实现调 节传输型共振并达到滤波的效果. 同时, 控制圆环阵列的周期使其足够大, 从而使得平面型共振峰位于近红外波段, 以避免对处于可见光波段的传输型共振模式形成干扰, 最终实现滤光效果. 在实验中, 通过使用周期固定为1200 nm而孔径大小从10到180 nm (以10 nm递增)的同轴圆环结构, 实现了把一束宽带的白光源分成不同颜色的单色光. 实验结果表明, 该方法解决了天线凹槽和一维层堆光栅型滤光器都普遍存在的偏振敏感性问题, 使得类似滤光器件的应用范围更广, 更能适应非偏振的自然光. 通过有限时域差分法分析得到的理论计算结果和实验结果相匹配, 实验现象得到了很好的理论支持和解释. 关键词： 表面等离子体 同轴圆环纳米腔 透射型滤光器     

三角形银纳米柱阵列传感乙醇气体方法

提出了一种基于金属纳米结构局域表面等离子体共振光谱的有机气体的传感方法.通过时域有限差分法设计了一种具有较高折射率灵敏度的三角形纳米柱阵列,并利用纳米球光刻法进行了制作.对乙醇蒸汽的传感实验结果证明,所制作的三角形银纳米柱对乙醇分子浓度非常敏感,其探测灵敏度达到24ppm/nm.该金属纳米结构传感有机气体的方法有望应用于环境监测等方面.     

三角形银纳米柱阵列传感乙醇气体方法研究

提出了一种基于金属纳米结构局域表面等离子体共振光谱的有机气体的传感方法.通过时域有限差分法设计了一种具有较高折射率灵敏度的三角形纳米柱阵列,并利用纳米球光刻法进行了制作.对乙醇蒸汽的传感实验结果证明,所制作的三角形银纳米柱对乙醇分子浓度非常敏感,其探测灵敏度达到24ppm/nm.该金属纳米结构传感有机气体的方法有望应用于环境监测等方面.     

金属纳米颗粒对有机太阳能电池光吸收效率影响的研究

借助时域有限差分法,对几种常见金属纳米颗粒影响有机太阳能电池光吸收效率的因素及其内部物理机制进行了研究.首先对金属纳米颗粒激发局域表面等离子共振的场分布特点进行分析,对比其在电池不同功能层中对光吸收率的影响;其次基于米氏理论与电共振效应,得出金属纳米颗粒的结构参量对局域表面等离子共振位置及强度的影响规律,并以此进行优化设计.结果表明,具有高对称性形貌的金属纳米颗粒以小尺寸密堆积结构引入电池活性层,能够促进电池光吸收增强三倍以上.     

金属纳米颗粒对有机太阳能电池光吸收效率影响的研究

借助时域有限差分法,对几种常见金属纳米颗粒影响有机太阳能电池光吸收效率的因素及其内部物理机制进行了研究.首先对金属纳米颗粒激发局域表面等离子共振的场分布特点进行分析,对比其在电池不同功能层中对光吸收率的影响;其次基于米氏理论与电共振效应,得出金属纳米颗粒的结构参量对局域表面等离子共振位置及强度的影响规律,并以此进行优化设计.结果表明,具有高对称性形貌的金属纳米颗粒以小尺寸密堆积结构引入电池活性层,能够促进电池光吸收增强三倍以上.     

银纳米粒子阵列的自组装及其表面增强拉曼光谱应用

在以聚赖氨酸为表面耦联层分子的玻片基底制备了银纳米粒子阵列。ＳＥＭ表征结果表明,银粒子以亚单层的形式排列在基底表面。比较银溶胶和纳米粒子阵列的紫外可见光谱可见聚赖氨酸耦联层对银纳米粒子的粒径具有一定的选择性,甲基紫精在银纳米粒子阵列上的表面增强ＦＴ拉曼光谱表明在近红外区拉曼散射的表面增强主要来自于化学增强效应。     

方体及环/盘阵列结构的表面等离子体共振特性研究

局域表面等离激元共振是金属纳米粒子表面的自由电子在光子作用下发生集体震荡而产生的一种共振现象。提出了一种方体及环/盘阵列结构,该结构主要由左侧单圆环和右侧方体及偏心圆环盘组成。利用时域有限差分算法(FDTD solutions)对该结构进行了光学性质的探究。仿真结果表明,当线性偏振光入射到金属表面时,在结构中激发局域表面等离子体共振现象,表现出明显的共振效应,在600～1 700 nm范围形成了不同位置的共振谷。通过对结构电场电荷仿真图的对比分析,发现共振谷是由圆环内所激发的偶极共振模式与方体及环/盘激发的四偶极共振模式相互耦合杂化产生的混合等离子共振而形成的。当调整金属结构的各项参数时,金属纳米颗粒之间的局域表面等离激元共振会因电场耦合效应发生改变,因此法诺共振的产生对于金属结构的各项参数有着极大的依赖性(如左圆环直径L、右圆环直径R,结构高度H,左圆环到方体的距离D等),通过对结构各项参数的改变,可以实现对结构共振谷波长位置和共振强度的有效调控,达到对结构光学性质可控的目的。由于该结构具有独特的非对称性,进一步探究了入射光源偏振方向(即电矢量与x轴的夹角)对结构的共振谷波长位置以及共振强度的影响。结果表明,随着光源偏振角度的增加,共振谷J2处的波长位置出现明显的红移现象。但当偏振角度为90°时,共振谷J3处不能产生法诺共振现象。由此,可以通过改变光源的偏振方向来实现对该结构的光谱的共振强度及共振波长位置的调控。更为重要的是,该结构对周围的环境折射率有着较高的敏感度,最高可达755 nm·RIU~(-1),传感的品质因数(figure of merit,FOM)为18.4,该结构在环境折射率等生物传感器及微纳光子器件方面有着潜在的应用前景。     

金属镜面上纳米光学天线阵列自发辐射增强与定向辐射

本文提出一种金属镜面上纳米光学天线阵列结构,天线采用金纳米立方体,单个点辐射源位于天线和金镜面之间的纳米间隙内.天线和金镜面之间的纳米间隙支持间隙表面等离激元,能够增强自发辐射速率;同时,周期排布的纳米天线支持表面晶格共振(surface lattice resonance, SLR),通过适当设计阵列周期,可实现沿垂直于基底方向的远场定向辐射.本文结合阵列扫描法(array scanning method, ASM)和全波严格数值方法,计算了辐射源的自发辐射速率.对于远场辐射强度角分布的计算,本文给出了互易定理方法的严格表述和证明过程,该证明过程不同于已有文献中的证明过程,对于无限大周期结构具有更严格的适用性,或者具有更低的计算量.本文提出的天线结构和设计方法可用于指导设计高速、高亮度、定向辐射光源.     

Al纳米颗粒增强微晶硅薄膜太阳电池光吸收的模拟研究

利用价格低廉、性能优良的金属纳米颗粒增强太阳电池的光吸收具有广阔的应用前景. 通过建立三维数值模型, 模拟了微晶硅薄膜电池前表面周期性分布的Al纳米颗粒阵列对电池光吸收的影响, 并对其结构参数进行了优化. 模拟结果表明: 对于球状Al纳米颗粒阵列, 影响电池光吸收的关键参数是周期P与半径R的比值, 或者说是颗粒的表面覆盖度; 当P/R=4–5时, 总的光吸收较参考电池提高可达20%. 与球状颗粒相比, 优化后的半球状Al纳米颗粒阵列可获得更好的陷光效果, 但后者对颗粒半径R的变化较敏感. 另外, 结合电场分布, 对电池光吸收增强的物理机理进行了分析.