周期性纳米金属粒子表面等离子体共振的调控及应用
刘星
学位类型博士
导师邰仁忠
2017
学位授予单位中国科学院研究生院(上海应用物理研究所)
关键词表面增强拉曼散射 光刻 三明治结构 表面等离子体激元
摘要在过去几十年,表面增强拉曼散射已经成为一种非常重要的化合物分析方法,在光谱分析、生物传感等领域有着广泛的应用。概括起来,一个高性能的表面增强拉曼散射基底应满足以下要求:一是具有较高的灵敏度,通过调控粒子的大小,形状和二个粒子的间距等要素,产生强大的电磁场增强,最终得到高灵敏度的拉曼信号;二是具有较好的均匀性,这就要求表面增强拉曼散射基底上各点的增强效果均匀一致。目前制备表面增强拉曼散射基底的方法主要分为二类,即自下而上和自上而下方法。目前,由于技术条件的限制难以制备小于10nm间距的大面积均匀阵列结构。因此很难实现同时具有高灵敏度和高重复性的表面增强拉曼散射基底。本论文的目的在于克服现有技术条件限制,改进纳米加工方法,制备出大面积、高密度、小间距、均匀稳定的纳米金属结构。使得基底产生更强更均匀的表面等离子体增强电场,并探索在光谱增强领域的应用。本文主要围绕光刻技术和新型的三明治结构,取得的主要成果如下:(1)利用电子束光刻直接扫描图形,制备了多种尺寸、形状以及构型的纳米阵列。此外,我们还利用同步辐射X射线干涉光刻方法快速制备具有大面积、小周期的纳米金属阵列,并将其应用于基于表面增强拉曼散射的分子探测领域。结果表明该表面增强拉曼散射基底具有高的灵敏度,较高的重复性和一致性,有望实现商业化应用。(2)提出了一种新型的纳米阵列-绝缘层-金属膜的三明治结构。这种基底同时具有较高的灵敏度和较好的均匀性。表面增强拉曼散射实验表明,相比常规在二氧化硅衬底,三明治结构的拉曼散射强度提高了一个量级,同时,也保持了周期性阵列带来的良好的均匀性。(3)研究发现,在几个纳米绝缘层的限制下,拉曼信号对于纳米金的尺寸也非常敏感。通过三明治结构中优化粒子的尺寸和薄膜的厚度,可以进一步提高表面增强拉曼散射信号的灵敏度。(4)系统地研究了三明治结构中各个变量对于表面等离子体共振位置的影响,详细地分析了三明治结构中的多种共振模式,并进行了理论推导和实验验证。三明治结构中共振效应可以分为局域表面激发等离子体共振和法布里珀罗多次干涉效应二种共振模式。(5)不同直径的纳米金圆盘会导致不同的共振模式出现。该共振模式可以认为是法布里珀罗共振模式,纳米圆盘的直径等效于法布里珀罗共振模型中腔体的长度。随着共振腔体的长度变化,会有更多高阶共振模式被激发,从而产生多波长共振现象。结果表明,在同一种三明治结构中产生的多波长共振可以实现三种入射光激发条件下均达到最优,使得该表面增强拉曼散射基底在多个波长下均可以有最优的性能。
语种中文
文献类型学位论文
条目标识符http://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/27533
专题中科院上海应用物理研究所2011-2018年
作者单位中国科学院上海应用物理研究所
推荐引用方式
GB/T 7714
刘星. 周期性纳米金属粒子表面等离子体共振的调控及应用[D]. 中国科学院研究生院(上海应用物理研究所),2017.
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