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微纳结构金属薄膜的制备及其奇异光学性质的研究

作　者: 钱晓春
导　师: 叶永红
学　校: 南京师范大学
专　业: 物理电子学
关键词: 周期结构金属薄膜透过率异常增强表面等离极化激元自组装负折射效应
分类号: O484.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

表面具有周期性调制的金属／介质薄膜具有透过率异常增强、负折射等奇异光学现象。这种超材料在亚波长光学、光电器件等领域有着潜在的应用前景,现已成为光学、材料科学等领域的研究热点之一。本文的主要工作是制备表面被周期调制的金属/介质薄膜。涉及的制备步骤主要有：胶体晶体自组装、PDMS软光刻和金属/介质薄膜沉积。通过这些步骤可以制得大面积高度有序的周期结构金属/介质薄膜。这种制备方法具有工艺简单,易于制备大面积样品等优点。本文的内容主要包括：1.通过胶体晶体自组装、PDMS软光刻以及在PDMS凹腔阵列上沉积多层膜,制备出了大面积的二维凹腔金属/介质多层膜结构,这种结构具有亚微米级的周期。我们制备了一系列膜层数的样品,并对它们的透射特性进行了实验表征。对于一层金属膜的样品,能够观察到两个透射峰,这两个透射峰与样品的表面等离极化激元(Surface Plasmon Polaritons, SPPs)的激励有关,透射峰的位置依赖于胶体晶体的周期。入射光的偏振特性以及入射角的变化对该样品的透射谱有巨大的影响。对于两层金属膜和更多层金属膜的样品,出现了一个与干涉相关的透射峰。这个透射峰与SPP引起的透射峰不同,它对入射光的偏振态和入射角不敏感,而且它的位置与金属和介质层的厚度有关。随着金属膜层数的增加,SPP引起的透射峰与干涉引起的透射峰强度都会减弱,而前者比后者更显著。对于具有四层金属膜的样品,只有与干涉相关的透射峰能被观察到。2.通过在胶体晶体和PDMS凹腔阵列上沉积同样厚度的金属薄膜,制备出孔状金属膜结构与凹腔连续金属膜结构,并对它们的透射特性进行实验表征。我们发现凹腔连续金属膜结构透射峰的位置符合理想金属／介质界面SPP色散关系,而孔状金属膜结构却不符合。通过软件模拟,我们得到样品透射峰处的电场分布,初步解释了其物理机理。3.通过软件模拟及参数提取,我们对周期结构薄膜超材料的负折射效应进行了优化研究。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
第1章绪论  8-16
  1.1 引言  8
  1.2 表面等离极化激元的基本原理  8-11
    1.2.1 SPP的色散关系  8-9
    1.2.2 SPP的激发  9-11
  1.3 周期结构金属薄膜的光学性质  11-13
    1.3.1 周期结构金属薄膜的光透射增强现象  11-12
    1.3.2 Hyperlens的基本原理  12-13
    1.3.3 负折射效应  13
  1.4 软光刻技术  13-15
  1.5 本文研究的主要内容和创新之处  15-16
第2章二维凹腔金属/介质多层膜结构的制备及其光学性质  16-28
  2.1 引言  16
  2.2 样品制备  16-22
    2.2.1 利用聚苯乙烯(PS)小球制备胶体晶体  17-19
    2.2.2 PDMS软光刻  19-21
    2.2.3 沉积Ag/TiO_2多层膜  21-22
  2.3 实验结果与分析  22-27
  2.4 本章小结  27-28
第3章孔状金属薄膜与凹腔连续金属薄膜的制备及其光学性质  28-34
  3.1 引言  28
  3.2 样品制备  28-29
  3.3 实验结果与分析  29-33
  3.4 本章小结  33-34
第4章周期结构薄膜超材料负折射效应的研究  34-48
  4.1 引言  34-35
  4.2 有限元仿真与有效参数提取  35-36
  4.3 正结构MDM薄膜负折射效应的研究  36-42
    4.3.1 正方晶格正结构MDM薄膜的负折射效应  36-39
    4.3.2 中心对称晶格正结构MDM薄膜的负折射效应  39-42
  4.4 反结构MDM薄膜负折射效应的研究  42-46
    4.4.1 正方晶格反结构MDM薄膜的负折射效应  42-44
    4.4.2 中心对称晶格反结构MDM薄膜的负折射效应  44-46
  4.5 本章小结  46-48
第5章总结  48-49
参考文献  49-55
在读期间发表和待发表的学术论文  55-56
致谢  56

微纳结构金属薄膜的制备及其奇异光学性质的研究

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