網(wǎng)狀金屬納米結(jié)構(gòu)薄膜的制備和光學(xué)特性的研究

第一章緒論1.1金屬納米薄膜的特點(diǎn)納米結(jié)構(gòu)薄膜的含義為：將納米粒子作為一個(gè)單位，在材料表層開展組裝工作以及刻印操作，構(gòu)建出具備納米結(jié)構(gòu)的薄膜，這種薄膜具有良好的穩(wěn)定性。納米薄膜根據(jù)結(jié)構(gòu)特征的不同能夠歸類成以下兩種類型：有序納米結(jié)構(gòu)薄膜以及無序納米結(jié)構(gòu)薄膜。根據(jù)制作方式能歸類成以下三種類型：直接涂抹法、人工組裝法以及自組裝方法。納米薄膜普及與各行各業(yè)。不少學(xué)術(shù)科研工作里面，材料需要轉(zhuǎn)變?yōu)楸∧げ趴梢允褂谩?970年左右，Kohler通過對納米多層增強(qiáng)和Esaki還有Tsu在超晶格進(jìn)行研究和試驗(yàn)，了解到納米多層結(jié)構(gòu)具有奇異特殊的功能特性，這是納米技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的起點(diǎn)。從那以后，納米技術(shù)得到了關(guān)注并逐步發(fā)展起來，納米粒子、納米纖維、納米薄膜等納米技術(shù)的技術(shù)突破不斷涌現(xiàn)出來，到了1980年左右，納米材料以及其相關(guān)技術(shù)的研究在全球邁向了更高的層次。納米技術(shù)得到了來自各領(lǐng)域極大的重視，業(yè)界將納米技術(shù)成為最前沿的科技之一，是帶動(dòng)高新技術(shù)及傳統(tǒng)變革升級(jí)的核心技術(shù)。不少專家學(xué)術(shù)都認(rèn)為納米技術(shù)將推動(dòng)人類社會(huì)科學(xué)技術(shù)邁向新臺(tái)階。[1]一般情況下，我們將納米尺度設(shè)置在1nm至100nm區(qū)間里。因?yàn)楸砻嫘?yīng)、體積效應(yīng)等現(xiàn)象的存在，使得納米結(jié)構(gòu)所表現(xiàn)出來的功能特性和一般物體有著極大的區(qū)別。常態(tài)下具有良好導(dǎo)電性的物體，如果進(jìn)入到納米尺度區(qū)間，它的導(dǎo)電性將大大降低甚至轉(zhuǎn)變?yōu)榻^緣體；常態(tài)下具有良好絕緣性的物體，如果進(jìn)入納米尺度區(qū)間，它的絕緣性將大幅度降低甚至轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)電體；常態(tài)下如果外部環(huán)境不變，物體的功能特性相對固定，不過在納米尺度區(qū)間中，物體的功能特性會(huì)隨著尺寸的變化而變化。納米粒子本身擁有各種特殊的功能特性，如果將納米粒子組合創(chuàng)建出二維的薄膜或者三維的固體，同樣會(huì)產(chǎn)生各種各樣特殊的功能特性。納米金屬薄膜依靠數(shù)量龐大的納米金屬粒子所創(chuàng)建，對比原來的納米金屬粒子，納米金屬薄膜在功能特性上大有不同[6-7]。針對金屬I絕緣體型顆粒膜，如果金屬體積分?jǐn)?shù)比絕緣體低很多，金屬組元會(huì)通過微小粒子的模式在金屬薄膜里面鑲嵌，表現(xiàn)出來的是良好的絕緣性。如果金屬體積分?jǐn)?shù)對比絕緣體差不多，也就是金屬體積分?jǐn)?shù)在0.5至0.6的范圍內(nèi)，這時(shí)會(huì)逐步轉(zhuǎn)變到導(dǎo)電體特征，這種情況就叫做滲透現(xiàn)象，這種情況下從微觀的角度分析，薄膜里面的絕緣體組元和金屬組元呈現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，此時(shí)如果想要使薄膜呈現(xiàn)導(dǎo)體的特性，就需要時(shí)金屬粒子比例上升。1.2金屬納米薄膜的應(yīng)用納米金屬材料由于它所具備的納米結(jié)構(gòu)相應(yīng)表現(xiàn)出來的特殊功能特性，使得它在各領(lǐng)域的應(yīng)用潛力十分可觀。金屬薄膜和其他多種類型的材料，可以搭配制造出種類豐富的新型材料，在電子設(shè)備領(lǐng)域、軍用設(shè)備領(lǐng)域等行業(yè)中廣泛應(yīng)用[2]。同時(shí)，將金屬納米薄膜進(jìn)一步構(gòu)建可制作出納米多層疊加膜，它具有超硬度特性、超模量等特殊的功能特性。舉個(gè)例子，相關(guān)科技大學(xué)對復(fù)合材料進(jìn)行研究，發(fā)明了一款防護(hù)膜，這種防護(hù)膜厚度極薄，可以將手機(jī)日常使用所產(chǎn)生輻射百分之九十進(jìn)行吸收，以保證使用者的健康。這種防護(hù)膜里面最為關(guān)鍵的材料就是超薄納米金屬薄膜[3]。在1991年發(fā)生的海灣戰(zhàn)爭，美國派出了飛機(jī)進(jìn)行了一千多次的空中襲擊，導(dǎo)致伊斯蘭軍隊(duì)超過九成以上的軍事基地遭到破壞，但是美國軍隊(duì)的飛機(jī)卻沒有受到損傷，這里面的關(guān)鍵因素在于美國軍隊(duì)所派出的飛機(jī)擁有對雷達(dá)探測良好的屏蔽特性，這種特性不僅來自于飛機(jī)本身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，衣服在飛機(jī)表面的納米金屬薄膜材料也扮演著關(guān)鍵的角色[4]。不僅如此，納米金屬薄膜在光學(xué)過濾及增透裝置、納米磁性多層膜裝置等設(shè)備裝置里面也得到了普及，并且效果十分優(yōu)秀，其未來的應(yīng)用前景十分可觀。1.3金屬納米薄膜的研究現(xiàn)狀1.3.1金屬納米薄膜制備方法納米薄膜根據(jù)其結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行歸類，能夠歸類成以下兩種：有序納米結(jié)構(gòu)薄膜以及無序納米結(jié)構(gòu)薄膜。納米薄膜尤其納米金屬薄膜應(yīng)用十分廣泛，而本文主要研究金屬納米薄膜的制備及其應(yīng)用，其科研成果已相當(dāng)成熟，制備方法也已十分豐富，主要有自然蒸發(fā)組裝法，層層組裝法，無電沉積合成法，電化學(xué)法（電沉積法），溶膠-凝膠法，真空蒸鍍法以及化學(xué)氣相沉積法。[5]由于篇幅有限，本文將著重介紹最為常用的部分手段：自然蒸發(fā)組裝法這種方法具體操作如下：在基地表面滴一定量的單分散膠體溶液，再等待液體自然蒸發(fā)，蒸發(fā)完成后會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)槎S有序納米薄膜。采用這種方式所制造出來的納米薄膜，膠體溶液滴加速度在很大程度上決定了它內(nèi)部結(jié)構(gòu)有序程度的大小。如果滴加速度在較低的水平，制造出來的有序結(jié)構(gòu)薄膜就不大；如果滴加速度在較高的水平，制造出來的有序結(jié)構(gòu)薄膜能夠大至若干微米。自然蒸發(fā)組裝是超晶格薄膜發(fā)展與開發(fā)的重要基礎(chǔ)之一，具有不可比擬的地位，不過采用這種方式的過程中，對于各方面條件的要求相對苛刻，操作者難以把控。Schiffrin以及研究團(tuán)隊(duì)把金元素納米溶膠與銀元素納米溶膠相互融合，通過這樣的策略制成合金納米薄膜。層層組裝法（LBL）這種方法的操作原理如下：聚電解質(zhì)所攜帶的電荷與納米顆粒所攜帶的電荷極性相反，在靜電的作用下相互吸引到一起，疊加成多層結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生了性能良好的各種尺寸的納米薄膜。該策略的特征為：聚電解質(zhì)具有數(shù)量龐大的結(jié)合位點(diǎn)，能夠?qū)⑼瑯訑?shù)量龐大的納米顆粒進(jìn)行吸附，對細(xì)小顆粒組裝膜的缺陷進(jìn)行彌補(bǔ)，從而產(chǎn)生具有致密結(jié)構(gòu)的薄膜。如果基地的平面相平整，這種組裝方式就十分易于完成薄膜的構(gòu)建。無電沉積合成法這種策略相對簡便，無需龐大資金的投入，所以在金屬納米薄膜的相關(guān)學(xué)術(shù)研究中相對普及?，F(xiàn)在普遍共識(shí)的沉淀機(jī)理存在以下三種類型：自催化，被還原的金屬具有催化劑的作用，金屬離子在催化劑的作用下繼續(xù)發(fā)生還原；基體催化，基體的表面能夠催化金屬沉淀，如果基體表面被金屬薄膜完全包裹，就無法繼續(xù)進(jìn)行反應(yīng)；與自催化以及基體催化存在區(qū)別，這種方式不用再加入還原劑，基體能夠產(chǎn)生還原作用，在滿足離子可以穿過鍍膜實(shí)現(xiàn)傳遞的情況下，能夠持續(xù)發(fā)生沉淀反應(yīng)。溶膠-凝膠法第一步，把金屬鹽在有機(jī)溶液里面進(jìn)行溶解；第二步，發(fā)生水解作用以及聚合作用，產(chǎn)生金屬氧化物溶膠；第三步，通過旋涂法、提拉或者浸漬將溶液在基底進(jìn)行產(chǎn)生吸附；第三步，采取干燥處理產(chǎn)生薄膜。因素這種方式相便捷，不需要投入復(fù)雜昂貴的裝置，所以在納米薄膜的制作過程中相對普及?；瘜W(xué)氣相沉積法對反應(yīng)物用高溫進(jìn)行加熱，使反應(yīng)物蒸發(fā)，蒸發(fā)后的氣體以惰性氣體為載體搬運(yùn)至溫度較低的空間內(nèi)，也可以采取快速降低溫度的方法，讓蒸發(fā)后的反應(yīng)物其他在基底沉淀，從而產(chǎn)生有序納米薄膜。1.3.2金屬納米薄膜的光學(xué)特性的研究現(xiàn)狀針對納米金屬薄膜功能性質(zhì)的研究大部分關(guān)注與電學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)等方面。因?yàn)檫@里側(cè)重在研究于薄膜的光學(xué)特性方面，因此主要闡述其在光學(xué)特性方面研究目前的情況。重點(diǎn)涉及到以下兩點(diǎn)：首先，薄膜厚度的大小還有外部磁場是如何對薄膜特性指標(biāo)產(chǎn)生影響的；其次金屬薄膜與電磁波場如何產(chǎn)生作用。不少專家針對納米顆粒對電磁波吸收峰的紅移以及藍(lán)移開展了相關(guān)的學(xué)術(shù)研究，Hovel及其團(tuán)隊(duì)則針對薄膜的尺寸和外部電磁場之間相互關(guān)系進(jìn)行了學(xué)術(shù)研究。Ashcroft以及團(tuán)隊(duì)針對價(jià)態(tài)與金屬膜光學(xué)特性所存在的聯(lián)系進(jìn)行了研究。Tanner及其團(tuán)隊(duì)提出紅外金屬離子之所以會(huì)因?yàn)轭l率的上升而造成其吸收系數(shù)上升，核心因素是由于能級(jí)分裂的存在。因?yàn)殡[身技術(shù)的相關(guān)學(xué)術(shù)理論得到了持續(xù)的發(fā)展，所以在針對微波頻段薄膜的研究中，各領(lǐng)域更加關(guān)注如何有效吸收雷達(dá)波這個(gè)課題。有關(guān)薄膜介電特性的學(xué)術(shù)理論，大部分側(cè)重于薄膜制備條件與介電常數(shù)以及光學(xué)常數(shù)所產(chǎn)生的作用方面。一般來說，我們通過特定的介電函數(shù)就可以描述一個(gè)物體的光學(xué)特性，但是介電函數(shù)會(huì)因?yàn)槲矬w的微觀電磁效應(yīng)的不同而發(fā)生變化。通過自由電子的Drude模型以及束縛電子的洛侖茲振子能夠反應(yīng)介電函數(shù)。按照金屬薄膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行歸類，金屬薄膜存在以下兩種類型：連續(xù)結(jié)構(gòu)以及連續(xù)結(jié)構(gòu)，Theye提出，由于薄膜表面對電子進(jìn)行散射，造成了連續(xù)結(jié)構(gòu)膜介電函數(shù)所存在的尺寸效應(yīng)。[6]說到不連續(xù)結(jié)構(gòu)薄膜，實(shí)際上就是依靠金屬細(xì)小顆粒組合產(chǎn)生的二維空間的彌散系統(tǒng)，通常借助等效的介電函數(shù)，對不連續(xù)結(jié)構(gòu)薄膜和電磁波之間存在的聯(lián)系進(jìn)行分析，也就是我們所說的有效媒質(zhì)理論，其理論模型重點(diǎn)存在兩種類型，分別為Maxwell-Garnett(M-G)模型以及Bruggeman(BR)模型。1.4研究的內(nèi)容及意義對于納米材料的的研究，各領(lǐng)域在這方面的投入從來不間斷，而且近年來其研究熱度還在不斷上漲。具有納米結(jié)構(gòu)的材料在特性方面十分特殊，直到今天還有著巨大的開發(fā)潛力，根據(jù)目前的研究現(xiàn)狀來講，絕大部分研究工作重點(diǎn)放在力學(xué)、磁學(xué)、化學(xué)等領(lǐng)域，針對納米材料的光學(xué)特性研究并不多，這里面大部分是在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象理論方面進(jìn)行探討，而針對這些現(xiàn)象研究其基礎(chǔ)理論的研究寥寥無幾。[7]針對金屬銅的穿透深度假設(shè)用紅外區(qū)波對銅的外部進(jìn)行照射，能夠分析得到它的穿透深度上6.1x10-7cm=6.1nm。從這里能夠看出值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于物體本身的厚度，也就是說電磁波在金屬里面出穿透深度十分淺。所以針對塊體材料，大部分學(xué)者提出電磁波絕大多數(shù)能量在接觸到金屬表面后發(fā)生反彈，如果是針對金屬薄膜，因?yàn)楸旧砗穸群痛┩干疃仁纸咏?，所以穿透效果非常良好，所以在開發(fā)制造電磁功能材料的過程中，需要有效地發(fā)揮穿透效應(yīng)，確保金屬材料的功能特性通過納米薄膜能夠完美地發(fā)揮。[8]對納米金屬薄膜在光學(xué)領(lǐng)域的性質(zhì)進(jìn)行研究，一方面能夠進(jìn)一步開發(fā)納米材料的潛在性質(zhì)，另一方面以此為基礎(chǔ)能夠有效推動(dòng)納米電磁功能材料的發(fā)展與應(yīng)用。第二章實(shí)驗(yàn)研究2.1網(wǎng)狀金屬納米結(jié)構(gòu)薄膜的制備2.1.1金納米網(wǎng)狀薄膜的按需制備在單晶硅襯底上制備Au納米薄膜，制備過程的主要步驟分為五個(gè)：1.清洗硅片。2.硅片表面組裝納米球形成單層緊密排布的PS膜。3.抽去底面水使得PS膜沉降在基底上，烘干后，采用電感耦合等離子體（ICP）刻蝕原理將硅襯底的PS納米球的直徑縮減至指定大小。4.采用電子束蒸鍍（E-beamEvaporation）沉積一層45nm金網(wǎng)膜（5nmTi作為粘附）。5.在四氫呋喃中超聲去除PS球及頂層金屬得到金屬網(wǎng)膜[9]。2.1.2硅片的清洗(1)清除有機(jī)物和部分金屬當(dāng)硅片上的污染比較嚴(yán)重時(shí)。將硅片放入盛有H2SO4和H2O2比例為7：3混合溶液的玻璃容器中，煮沸30min.。由于H2SO4和H2O2混合所形成的溶液所產(chǎn)生的氧化性十分強(qiáng)烈，能夠?qū)⒐杵厦娼^大多數(shù)有機(jī)物以金屬清洗溶解掉，另一方面能夠在硅片表面加入OH基團(tuán)，發(fā)生羥基化，使得硅片高度疏水。

(2)沖洗和干燥將硅片依次投入到酒精、丙酮以及去離子水里面，接著進(jìn)行十分鐘的超聲，將依附于硅片外部的體積較大的雜志清洗干凈。在開展此項(xiàng)操作的時(shí)候，要求使用的溶劑本身雜質(zhì)較低，同時(shí)所使用的容器應(yīng)該經(jīng)過嚴(yán)格的清潔處理，這樣才能夠確保硅片清洗的效果良好。因?yàn)檫@個(gè)時(shí)候硅片還是處于水里面，所以要求把它沖洗干凈后，使用氮?dú)鈽寣⑵浯蹈稍?，操作過程中需嚴(yán)格避免其他雜質(zhì)對規(guī)模造成污染。2.1.3單層密排納米球陣列的制備研制單層密排納米球模板的過程如下：借助注射器與MPI系統(tǒng)將PS膠體注射到在空氣/水界面形成單層密排的納米球陣列，借助液面轉(zhuǎn)移法把單層密排的納米球陣列運(yùn)送到硅片的外表面。用于納米球模板的納米小球是聚苯乙烯(Polystyrene,PS)小球，這里所選擇的PS球規(guī)格是1μm的PS球懸浮液，對其直徑進(jìn)行策略，可以得到其直徑是1039nm[10]。現(xiàn)在研制納米球模板的各種方式中，效果最佳的策略所混合溶液界面自組裝法。這種方式的原理過程如下：因?yàn)樗恼舭l(fā)速度與乙醇的蒸發(fā)速度并不一致，從而會(huì)伴隨著毛細(xì)力的出現(xiàn)，進(jìn)而PS球能夠懸浮在水與空氣的交界處，由于Marangoni效應(yīng)的存在，聚集于水和空氣交界處的PS球?qū)⒕o密連接轉(zhuǎn)變?yōu)閱螌蛹{米球陣列。其反應(yīng)過程如圖2-1所示，具體的制備流程為:圖2-1單層密排納米球陣列的制備流程圖1.首先，將乙醇作為分散劑添加到水基PS膠體溶液中以降低表面張力，這使得PS納米球更有效地鋪展在水面上。乙醇添加劑的量由納米球的大小和濃度決定。2.然后將該混合物超聲處理數(shù)分鐘，并通過MPI系統(tǒng)連續(xù)注入水面。PS納米球通過Marangoni效應(yīng)相關(guān)聯(lián)，Marangoni效應(yīng)是由于表面張力梯度沿著兩種流體之間的界面的質(zhì)量傳遞。在這種情況下，注入的含乙醇的PS膠體溶液與水面接觸，會(huì)形成強(qiáng)大的Marangoni力，推動(dòng)膠體顆粒迅速從低表面張力的區(qū)域向外擴(kuò)散，直到它們覆蓋水浴的整個(gè)表面。如圖2-2所示：圖2-2沉降后的PS膜3.一旦形成單分子層，通過排出水浴或緩慢升高基底將其轉(zhuǎn)移到浸沒的基底中；4.當(dāng)溶劑通過自我蒸發(fā)或低溫烘烤（在我們的例子中低于60℃）蒸發(fā)時(shí)，毛細(xì)管力將納米球拉到一起，并且納米球以六角密排模式包裝，緊緊附著在硅片基底上。[11]其排列方式如圖2-3所示：圖2-3烘干后的PS膜2.1.4電子束蒸發(fā)制備AU納米孔陣列真空蒸發(fā)鍍膜需要處于高質(zhì)量的真空環(huán)境中才能發(fā)生。它的操作過程如下：第一步，將鎢絲燈連接電流，放置與高溫環(huán)境當(dāng)中，使其出現(xiàn)熱電子放射的現(xiàn)象；第二步，由于處于高真空環(huán)境，加上電子束蒸發(fā)內(nèi)置的高壓電場的加速作用，熱電子放射的電子能量快速變強(qiáng)；第三步，對磁場進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而改變電子束朝向，讓電子束對準(zhǔn)陽極靶材；第四步，電子束對靶材進(jìn)行持續(xù)打擊，產(chǎn)生了高溫的效果，一旦溫度到達(dá)某個(gè)值，靶材上的物質(zhì)會(huì)蒸發(fā)，蒸發(fā)所形成的物質(zhì)打到襯底上，最終沉淀在襯底表面，穩(wěn)定之后產(chǎn)生了薄膜。電子束蒸發(fā)鍍膜技術(shù)具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：第一，對比常規(guī)的電阻加熱技術(shù)，具有更高的加熱效率，可以對高熔點(diǎn)的材料進(jìn)行沉淀；第二，蒸發(fā)沉淀的方向相對集中，能夠很好地在表面進(jìn)行沉淀；第三，所制成的薄膜性能良好，相對穩(wěn)定；第四，所制成的薄膜雜質(zhì)較少；第五，能夠?qū)Ρ∧ず穸冗M(jìn)行有效的控制。通過等離子刻蝕，PS球的直徑縮減。縮減處理完成后的的單層非密排PS球陣列形成了可剝離的模板，借助電子束蒸發(fā)于它的表面，維持不超過0.2A/S的速度沉積2nmTi和20nmAu于硅襯底上創(chuàng)造出共形、連續(xù)的Au納米孔陣列,硅片表面的單層非密排PS球模板，將其投入到四氫呋喃里面，再進(jìn)行超聲清洗，最終能制成AU納米孔陣列。具體見圖2-4所示：圖2-4AU納米孔陣列還沒有形成Au膜的時(shí)候，為了確保Au膜沉淀過程更加順利，需要先沉淀5nm的Ti到Si襯底表面。AU和硅襯底并不具有良好的浸潤性，所以Au膜在硅襯底沉淀過程實(shí)際上是島狀生長(Volmer-Weber)模式，這也是AU的薄膜沉淀過程里面很難產(chǎn)生致密的、連續(xù)的薄膜結(jié)構(gòu)的原因。由于Ti和Au，Ti和Si都存在良好的浸潤性，因此就將Ti所形成的薄膜成當(dāng)中一個(gè)媒介層，借助這個(gè)媒介層的作用，讓Au的沉淀過程轉(zhuǎn)化成層狀生長(Frank-vanderMerwe)模式，從而得到高性能的Au膜。[12]2.2網(wǎng)狀金屬納米結(jié)構(gòu)薄膜的光學(xué)特性研究因?yàn)榫w硅為間接帶隙的半導(dǎo)體，所以它不能夠很好地對處于紅外波段的光進(jìn)行吸收，從而能量轉(zhuǎn)換效率低下，這個(gè)問題目前是光伏行業(yè)最關(guān)注的難題?，F(xiàn)在市場上晶體硅太陽能電池為達(dá)到更好的光線吸收效果，選擇300um厚的硅片作為驚喜太陽能電池的制作生產(chǎn)，這種方式所制造出來的晶體硅太陽能電池單單硅片材料就占據(jù)了百分之五十的成本，所以要想對其成本進(jìn)行優(yōu)化，就必須使用更輕薄的硅片。另一方面，選擇厚度較薄的晶硅襯底，能夠有效提升載流子輸運(yùn)效率，所以針對這方面的納米技術(shù)研究具有十分深遠(yuǎn)的價(jià)值。最近一段時(shí)期，針對提高光吸收率的問題，各種材料制成的襯底得到了突破與發(fā)展，包括Si和或者其他的成分。結(jié)合相關(guān)學(xué)術(shù)研究成果，我們能夠了解到諸如此類的襯底能夠?qū)膺M(jìn)行充分吸收，從而提升光電轉(zhuǎn)換的效率。盡管已有很多研究者從理論和實(shí)驗(yàn)上對以Si或SiO2為襯底的納米網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)陣列的光學(xué)性能展開研究。但是這兩種襯底作為光反射率對比的研究卻很少。而在上文中實(shí)現(xiàn)了在Si表面制備了納米網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)陣列,因此接下來將在SiO2表面制備了納米網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)陣列，根據(jù)理論研究以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，展開對以上兩種類型的納米網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)陣列有關(guān)光學(xué)領(lǐng)域方面特性的分析。用于研究電磁場的方式各種各樣，不過大體上能夠劃分為以下兩種類型：時(shí)域分析與頻域分析。針對納米材料在光學(xué)領(lǐng)域的特性研究相關(guān)的數(shù)學(xué)仿真工作，相對普及的手段是時(shí)域有限差分法(FDTD)以及有限元法(FiniteElementMethod,FEM)。它們都能夠適應(yīng)于多種類型的數(shù)學(xué)建模工作。在這里針對納米材料在光學(xué)領(lǐng)域的特性研究，所涉及的頻域相對較寬，所以選擇時(shí)域有限差分法較為合適。因此這里選擇時(shí)域有限差分法對米網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)陣列的光學(xué)性能進(jìn)行系統(tǒng)地仿真模擬和實(shí)驗(yàn)測試，分析得出其光吸收性能。這里在借助時(shí)域有限差分法進(jìn)行研究的過程中，選擇了軟件FDTDSolutions進(jìn)行輔助，在仿真計(jì)算之后，能夠獲得Si以及SiO2納米結(jié)構(gòu)的光學(xué)吸收相關(guān)數(shù)值，將計(jì)算所得到的數(shù)值與實(shí)驗(yàn)所得的的數(shù)值進(jìn)行對比分析，得出Si和SiO2納米結(jié)構(gòu)的光反射性能。在模擬結(jié)構(gòu)單元中，將光源以及反射光探測器安裝在納米線的頂部，這里需要注意光源需要安裝于反射光探測器下面，這樣光源的光彩不至于直接進(jìn)入到反射光探測器里面，光源是平面波光源；采用2um襯底厚度設(shè)置為2um，納米線底部的位置也需要安裝一個(gè)透射光探測器，同時(shí)襯底的地方也需要安裝另外一個(gè)透射光探測器，這樣才能夠?qū)ο到y(tǒng)的透射光功率進(jìn)行檢測。[13]為了實(shí)現(xiàn)Si和SiO2納米結(jié)構(gòu)的模擬，在周期性結(jié)構(gòu)單元里面XY方向定義周期性的邊界條件。安裝于襯底底部的透射光探測器之下定義完全吸收邊界條件(PMLboundary),以最大限度減少邊界產(chǎn)生的反射。入射光發(fā)射一定波段的平面波垂直入射Si以及SiO2納米結(jié)構(gòu),借助反射光探測器以及透射光探測器所檢測到的的光功率與入射光功率之間的比值能夠及時(shí)得到納米線的透射率T(λ)和反射率R(λ):這里P(λ)的含義為波印廷矢量，S的含義為探測器所處的界面。這里納米線陣列里面的光吸收率能夠借助透射率T(λ)和反射率R(λ)換算得到:根據(jù)以上的仿真條件設(shè)置，對相同條件的的Si和SiO2為襯底的納米網(wǎng)狀薄膜進(jìn)行FDTD仿真計(jì)算，給出波長0nm-1000nm波段的光學(xué)性能。根據(jù)最終的反射仿真結(jié)果不難看出，當(dāng)波長為560nm時(shí)Si為襯底的納米網(wǎng)狀薄膜光反射明顯減弱，當(dāng)波長為700nm時(shí)SiO2為襯底的納米網(wǎng)狀薄膜光反射明顯減弱，并出現(xiàn)一個(gè)明顯的反射谷，此處的反射率幾乎為零。為了更好的理解兩種薄膜的光反射谷的產(chǎn)生原因，可以發(fā)現(xiàn)激發(fā)SPP的另外一種常用方式是引入周期性結(jié)構(gòu)。在周期性結(jié)構(gòu)體系內(nèi)，入射電磁波會(huì)受到周期結(jié)構(gòu)的多重散射，此時(shí)原本不匹配的波矢會(huì)在倒格矢的作用下變得匹配，即其中Ksurfacemode是SPP的波矢，k11是入射電磁波的切向波矢，G為周期性結(jié)構(gòu)所引入的倒格矢。入射光線色散曲線以整數(shù)倍倒格矢的平移并最終與SPP色散曲線產(chǎn)生交疊。同時(shí)，當(dāng)金屬表面存在周期性結(jié)構(gòu)時(shí)，和光子晶體類似，SPP也會(huì)產(chǎn)生一定的能帶結(jié)構(gòu)。特別注意的是不同于借助消逝波在平金屬表面激發(fā)SPP的方式，由于倒格矢的引入，不論以何種偏振光入射都可成功激發(fā)SPP。不僅是金屬，介質(zhì)也會(huì)對SPP具有一定的吸收作用，當(dāng)SPP強(qiáng)度在介質(zhì)巾衰減到最大值1/e時(shí)的厚度為SPP在介質(zhì)中的穿透深度δd。這四個(gè)特征參數(shù)從不同側(cè)面反應(yīng)了表面等離激元的不同性質(zhì)，對基于SPP的光電器件的設(shè)計(jì)和制作具有一定的指導(dǎo)意義。以Au為例，波長為800nm的電磁波激發(fā)的SPP的波長為794nm,傳播長度為45um,金屬的穿透深度為13nm,真空中的穿透深度為307nm。實(shí)驗(yàn)介紹了一種可以有效減小金屬吸收損耗的金屬一介質(zhì)混合結(jié)構(gòu)。為平金屬表面耦合SPP后電磁場的分布特點(diǎn)。電磁場最強(qiáng)的位置處于金屬和空氣(或介質(zhì)層n1)的界面處，在兩邊由于材料的吸收損耗場強(qiáng)隨深度的加深呈指數(shù)形式衰減?？梢韵胂筮@種形式將會(huì)有近一半的電磁場分布在金屬內(nèi)部，從而產(chǎn)生嚴(yán)重的金屬本征吸收。[14]但是當(dāng)一個(gè)折射率更高的電介質(zhì)n2靠近金屬層但不接觸時(shí)，即在金屬外測形成折射率從低到高的分布時(shí)，電磁場的空間分布特點(diǎn)會(huì)發(fā)生明顯變化。此時(shí)電磁場的最強(qiáng)位置會(huì)被向上拉離金屬和介質(zhì)層n的界面而進(jìn)入n內(nèi)部。也就是說大部分電磁場會(huì)被局域在介質(zhì)層n1內(nèi)部。只會(huì)有少量的電磁場滲透到金屬層和介質(zhì)層n2內(nèi)部，從而有效的減小金屬層的本征吸收問題。第3章結(jié)論本文主要研究了Si和SiO2為襯底的納米網(wǎng)狀薄膜的制備以及其光學(xué)性質(zhì)。主要通過電子束蒸鍍金制備得到金屬網(wǎng)膜。通過對比Si和SiO2為襯底的納米網(wǎng)狀薄膜的光反射性能后發(fā)現(xiàn)，Si為襯底的納米網(wǎng)狀薄膜光反射性能在任何波長時(shí)均強(qiáng)于以SiO2為襯底的納米網(wǎng)狀薄膜，且在700nm波長時(shí)以SiO2為襯底的納米網(wǎng)狀薄膜處于一個(gè)光反射谷。綜上所述，以SiO2為襯底的納米網(wǎng)狀薄膜是一種比以Si為襯底的納米網(wǎng)狀薄膜抗反射性能以及光吸收性能更好的納米結(jié)構(gòu)。相比最優(yōu)的抗反射納米結(jié)構(gòu)材料。

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