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《中国科学院大学(中国科学院物理研究所)》 2018年
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基于微纳加工的表面等离激元光子回路和热效应探测研究

高龙  
【摘要】:表面等离激元是金属和介质的界面处自由电子在外电场作用下产生的集体振荡。由于表面等离激元具有突破衍射极限传播和局域场增强等独特性质,表面等离激元光子学在众多研究领域的应用受到了极大关注。微纳结构加工技术的高速发展让高精度、高可控性的纳米器件加工成为可能,使我们可以通过微纳加工方法实现具有高可调控性和高产率的表面等离激元器件。本论文主要研究表面等离激元器件的微纳加工,介绍了金纳米线及其网络结构、二维周期性金纳米孔结构、双层金光栅结构的微纳加工方法和工艺探索过程。进一步我们对其中两类器件的表面等离激元特性和应用进行了深入的研究:(1)我们通过电子束曝光结合热蒸发真空镀膜的方法制备了石英衬底上的金纳米线波导及网络结构。通过采用原子层沉积的氧化铝作为金纳米线的固定层和保护层,降低了这种金纳米线作为表面等离激元波导的传播损耗。我们研究了这种金纳米线波导在不同介质环境下所支持的表面等离激元模式。我们设计制作了Y型金纳米线网络结构,通过改变纳米线的长度及入射光的偏振,在这种结构上实现了表面等离激元的定向传播,从而实现了纳米光路由器的功能。另外,Y型金纳米线网络上激发的两束表面等离激元可以产生受相位调制的干涉,导致出射端强度的变化,这种调制可以用来实现布尔逻辑门功能。我们在这种三端口的金纳米线网络结构上实现了与门、或门、异或门和非门功能,在四端口的金纳米线网络结构上实现了与非门、或非门和同或门功能。(2)我们制作了集成在热电偶上的二维周期性金纳米孔结构。这种二维周期性纳米孔结构的表面等离激元共振可以通过纳米孔的周期、孔径周期比和金属膜厚度进行调控。我们对不同结构参数的二维周期性金纳米孔的吸收波长和强度进行了分析。表面等离激元非辐射衰减导致的热效应引起结构的温度提升,可以通过热电偶转换为热电势进行测量。我们对这种热电势在不同波长激发光下的大小和金纳米孔阵列的吸收光谱进行对了对比,两者比较吻合,确认了这种热效应来源于表面等离激元的非辐射衰减。
【学位授予单位】:中国科学院大学(中国科学院物理研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:O441;TB383.1

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