基于Au-VO2复合结构超材料的制备及其共振特性研究

《基于Au-VO2复合结构超材料的制备及其共振特性研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、基于Au/VO2复合结构超材料的制备及其共振特性研究PreparationandinvestigationofmetamaterialsbasedoncompositestructureofAu/VO2withplasmonresonance学科专业：微电子学与固体电子学研究生：宋晓龙指导教师：梁继然副教授天津大学微电子学院二零一七年十一月摘要半导体氧化物二氧化钒(VO2)在外界光、电、热等激励下可以发生金属相到半导体相的可逆转变，相变过程中其光学、电学以及磁学特性均会发生突变，从而在智能窗、光开关、局域表面等离子体共振(LSPR)传

2、感以及存储器等领域有着广阔的应用前景。近些年来，金三角纳米颗粒阵列结构由于其较强的介电敏感性，使其在LSPR传感领域有着广泛的应用。金三角纳米颗粒阵列LSPR特性不仅受到其自身尺寸、厚度等结构参数的影响，同时也与其周围介电环境息息相关，在不改变原有共振结构的基础上，在其周围添加VO2材料，利用VO2材料的相变动态改变纳米颗粒阵列周围介电环境成为LSPR传感的研究热点。本文利用纳米球刻蚀技术和薄膜制备技术分别制备Au三角纳米颗粒阵列/VO2复合嵌套结构和VO2/Au/VO2复合三角纳米颗粒阵列两种超材料结构，对这两种结构的LSPR特性进

3、行研究，并在此基础利用FDTD仿真方法对两种结构特性进行建模计算，分析这两种结构的共振机理和调控机理。利用场发射扫描电子显微镜(FESEM)、四探针测试系统、X射线衍射仪(XRD)、激光拉曼光谱仪(Raman)以及紫外-可见-近红外分光光度计对所制备的复合结构微观形貌、材料成分、电学特性以及光学特性进行表征，研究不同复合结构形式下VO2材料对Au三角纳米阵列LSPR特性的调谐规律。在Au三角纳米颗粒阵列/VO2复合嵌套结构中，当Au三角纳米阵列和VO2薄膜厚度分别为10nm和90nm时，VO2发生半导体态到金属态相变时，其吸收峰可以获

4、得56.2%的最大调谐率，这种大的波长调谐性与嵌套结构中共振时混合电场与磁场的分布有关。金三角纳米颗粒阵列结构嵌套于VO2薄膜中，其共振位置由尖端变化到边界位置，增大了共振区域和共振强度，进而提升了LSPR特性的调谐效率。与VO2/Au和Au/VO2复合三角阵列结构相比，VO2/Au/VO2复合结构在VO2的半导体态和金属态相变过程中，可以获得42nm的最大波长偏移量和13.2%的最大透射率调谐率，且Au/VO2复合三角阵列结构的波长偏移量要大于VO2/Au。FDTD仿真电场分布表明，顶层VO2介电环境的变化对Au三角LSPR特性的影

5、响要大于底层。通过研究VO2材料相变对Au三角纳米颗粒阵列结构共振特性的影响，对提升LSPR传感温度敏感性具有实际意义。关键词：二氧化钒，Au三角纳米颗粒，LSPR特性，超材料IABSTRACTSemiconductoroxidevanadiumdioxide(VO2)exhibitsareversibletransitionfrommetalphasetoinsulatorphaseunderthestimulationsuchaslight,electric,heat,anditsoptical,electricalandmagn

6、eticpropertiesmakeareversiblechange,ithasattractedseriousconcernforvarietyofpracticalapplications,suchassmartwindows,opticalswitches,LSPRsensorsandmemorydevices.Inrecentyears,duetothestrongdielectricsensitivity,AutrianglenanoparticlearrayiswidelyusedinLSPRsensors.ButLSP

7、Rcharacteristicsofthefixedstructuresaredifficulttochange,whichlimittheirpracticalapplication.TheLSPRfeaturesofAutrianglenanoparticlesarenotonlyrelatedtothestructuralparameters(suchassize,thickness),butalsocloselyrelatedtothesurroundingdielectricenvironmentofnanoparticle

8、s.VO2isaddedtothesurroundingofthenanoparticlearrayonthebasisofnotchangingtheoriginalnanostructure,utilizationo