远红外金属和半导体亚波长结构中的表面等离激元研究

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1、④密级——中国科学院大学博士学位论文适红处金属扭主昱佳垩渡篮缝掏主的麦面笠离邀五班童作者姓名：捏』指导教师：旦搓园班塞虽生萤整堂隧麴垄班冠压学位类别：堡堂簋±学科专业：凝搓盔塑堡研冤所：主国抖堂瞳趁壁班究压2013年5月annSemlC0naUCtoratIar-Intrared■■』●●nlByFeiChengADissertationSubmittedtoTheUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequirem

2、entForthedegreeofDoctorofScienceInstituteofPhysics，ChineseAcademyofSciencesMay,2013摘要表面等离激元；(surfaceplasmons，SPs)是束缚在金属一介质界面上的电子集体振荡模式的元激发。由于它能够在亚波长尺度上对光场进行压缩和放大，基于表面等离激元的器件具有能够突破波长衍射极限的能力。表面等离激元光子学就是一门以此为研究对象的新兴学科，在生物化学物质检测、纳米尺度的光子学器件、突破衍射极限的高分辨率成像、生物医

3、学、光学非线性增强、高密度光存储等领域具有广泛的应用前景。因此利用人造微结构来调控金属和电介质界面上的表面等离激元，是当前的一个热门研究课题。根据存在形式的不同，表面等离激元通常可以分为两大类：可以在金属一介质界面上传播的表面等离极化激；元(surfaceplasmonpolaritons，SPPs)矛I：I束缚在纳米颗粒表面上的局域表面等离激元(10calizedsurfaceplasmons，LSPs)。本论文围绕金属和半导体亚波长结构在远红外波段的光学响应，从以下几个方面展开讨论：首先，系统研究

4、了二维金属亚波长孔阵列反常透射现象中的Fano共振效应，尤其是表示不对称度的参数口的物理意义。设计了一种由两套子阵列嵌套而成的复式孔阵列，通过改变子阵列的孔径比，实现了口值正负号的反转。该调制不仅有助于加深对Fano共振机制的理解，同时为设计相关的表面等离激元器件，例如传感器、光开关、滤波器等提供了依据。其次，利用硅的湿法腐蚀技术，在自支撑200雎m低阻硅片上制备出具备三维透射通道的光栅结构。通过在上下两个界面之间引入一个不对称度，使两界面原本耦合的表面波退耦合，从而在表面等离激元共振峰位处出现一个透

5、射极小值。数值计算表明该反常透射特征的品质因子和强度灵敏度均可达较高数值，因此可以用作太赫兹波段传感器。再次，利用电子束曝光和湿法腐蚀技术，成功制备出大尺寸、高深宽比、表面超平滑的硅纳米结构。相比传统的干法刻蚀技术，湿法腐蚀具有较高的各向异性腐蚀速率，并且可以保持原子级平整的腐蚀界面。尤其是在(110)取向的硅片表面，可以实现深宽比超过10、具有完美几何形貌的矩形沟槽，既可以作为模板剥离、纳米压印工艺的优质模板，也可以作为研究局域场增强相关的物理现象如表面等离激元受激放大辐射、非线性效应的理想平台。最

6、后，我们研究了结构不对称度对二维金属亚波长孔阵列反常透射现象的影响。由于局域表面等离激元模式的激发及其和传播模式的相互作用，不仅增远红外金属和半导体亚波长结构中的表面等离激元研究强了传播模式的透射强度，而且观察到了共振峰位的红移和由峰转谷、再由谷转峰的变化。与常规圆孔和矩形孔相比，对称破缺结构的近场增强程度得到极大提高。这些现象对进一步理解反常透射行为和提高近场显微成像、生物化学探测技术提供了重要依据和思路。关键词：表面等离激元，亚波长金属孔阵列，Fano共振，对称破缺，湿法腐蚀AbstractSur

7、faceplasmons(SPs)isakindofelementaryexcitationsorquasi-particlesofthecollectiveoscillationbehavioroffreeelectronsinthemetal—dielectricin-terface，whichcanbestimulatedbyexternalelectromagneticwavesorelectronbeams．TheSP—baseddevicescanbeoperatedbelowthedif

8、fractionlimit，duetothefactthatthelightfieldcanbesqueezedandamplifiedinavolumesmall—erthantheincidentwavelength．Inrecentyears，significantattentionhasbeenpaidtothestudyofmetallicnanostructruresfortheirapplicationsinbiologi—calandch