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纳米薄膜界面的表面等离子体共振效应的研究

包鸣  
【摘要】:表面等离子体共振发生在金属和电介质的交界面上,以特殊的倏逝波为探针探测传感介质表面的光学变化。自从SPR技术应用于生物传感器以来,其实时检测特性和极高的灵敏度引起科学界和商业界的关注,并逐渐成为国际生物化学的研究热点,在药物研发、食品安全、临床诊断、蛋白质组学领域逐步得到应用。 本文首先介绍了SPR传感器的研究现状和应用,之后分析了表面等离子体波和表面等离子体共振的原理和检测机理,重点分析了Kretschmann结构的SPR传感器,利用Matlab软件进行了模拟仿真。并搭建了一套SPR检测系统。 同时,本文分析了ZnO敏感层厚度对SPR曲线影响。使用磁控溅射在镀有Ag的基片上制备了厚度分别为20nm,30nm,200nm,220nm和240nm的ZnO,并在空气中以300℃退火1小时。分析了ZnO厚度对芯片灵敏度的影响机理,理论计算与实验结果一致。本文说明,在ZnO敏感层取适当厚度时,芯片可获得较高的灵敏度和更大的介质折射率检测范围。 之后,本文研究了波导SPR (GWSPR)。通过在传统SPR芯片顶层镀上一层200nm具有介电常数实部ε较大的薄膜,增强了其灵敏度。介质层的折射率对灵敏度的影响很少有研究。使用了射频溅射制备了具有不同折射率的薄膜,并用椭偏仪测量了其折射率。介质薄膜介电常数的虚部ε应该很小,从而可以较少对光的衰减并能得到尖锐的共振曲线。介质薄膜同时也保护Ag膜,免其与周围环境发生化学反应,从而增强了芯片的稳定性。使用SPR仪器检测了Ag/ZnO的共振曲线。分析了ZnO折射率对SPR灵敏度的影响机理。实验结果和理论模拟都表明Ag/ZnO有着更小得半宽高,因此比纯Ag有更强的SPR效应。本文研究说明,顶层的ZnO薄膜能有效增强表面等离子体共振,进而提高芯片的灵敏度。 随后,本文将电化学和SPR结合来清洗金膜表面。这种清洗方法的原理是阳电极金膜在弱酸中电溶解。采用了SPR角度谱(R-θ)和定角度实时监测两种模式来研究金膜的电溶解过程。电位扫描前后对应的共振曲线的偏移可以看出金膜厚度的变化。使用了原子力显微镜来观察了金膜表面经电溶解处理后的粗糙度和形貌变化。伏安曲线的电流峰电位差可用来表征表面洁净度。电流峰电位差越小,表明表面越洁净。实验结果表明这是种很好的可以将废弃的厚金膜变为可再用的材料的方法。本工作的重点在于使用SPR动态监测来观察金膜的电溶解过程。 最后,本论文建立了一个基于Krestchmann结构的理论模型来测量两层Ag膜之间的空气层。由于双层Ag膜结构,法布里-伯罗现象和表面等离子体波隧道耦合效应的发生是理论上预料中的。由理论模拟可看出,在空气层厚度减小到一定值时,表面等离子体波隧道耦合效应致使SPR共振角的正向偏移。


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