氧化钛薄膜调控金属铜的表面等离子体共振特性研究

提出了一种利用氧化钛薄膜对金属铜薄膜表面等离子体共振特性调制的想法。实验中首先使用电子束蒸发制备一批同等厚度的氧化钛薄膜,再利用磁控溅射方法在氧化钛薄膜上沉积厚度为5～80 nm不等的金属铜薄膜。测试结果表明,氧化钛膜层对不同厚度的金属铜薄膜表面等离子体共振增强具有不同调制效果,金属铜薄膜厚度小于20 nm时,底层的氧化钛薄膜对Cu薄膜表面等离子体共振增强效果显著,且随着金属Cu膜层厚度增加表面等离子体共振峰发生蓝移,而当金属铜膜层的厚度超过20 nm时,共振增强效果因金属Cu薄膜消光能力的上升而开始减弱。     

多孔TiO2/Al/SiO2纳米复合结构的紫外光吸收特性研究

在SiO2玻璃衬底上用脉冲激光沉积(PLD)技术,分别沉积Ti和Ti/Al膜,经电化学阳极氧化成功制备了多孔TiO2/SiO2和TiO2/Al/SiO2纳米复合结构.其中TiO2薄膜上的微孔阵列高度有序,分布均匀.实验研究了Al过渡层对多孔 TiO2薄膜光吸收特性的影响.结果表明:无Al过渡层的多孔 TiO2薄膜其紫外吸收峰在270 nm处.且峰强不随阳极氧化工艺参数调节;而有Al过渡层的多孔TiO2薄膜其紫外吸收峰红移至293 nm处,峰强和峰形不仅受阳极氧化电压调节而且受Al过渡层厚度的影响也很敏感.进一步分析了两种结构在吸收边附近的光跃迁特性.这些结果对基于多孔 TiO2的光伏电池和紫外光传感器的应用研究非常有益.     

Al/ZnO:Al薄膜结构的荧光增强效应

利用物理气相沉积设备制备了Al/ZnO:Al薄膜样品,研究了该薄膜结构的发光特性。结果表明,在ZnO:Al薄膜表面镀一层Al岛薄膜可以增强其带边荧光,同时在475 nm附近产生蓝光峰。通过在Al岛薄膜和ZnO:Al薄膜之间引入一层5 nm的Ta₂O₅绝缘层可以使ZnO:Al薄膜的带边荧光和蓝光显著增强,并随着Ta₂O₅绝缘层厚度的增大而减弱。通过对Al/ZnO:Al样品进行退火处理可以使带边荧光和蓝光峰分别增强9倍和83倍。基于局域表面等离子体共振理论,计算了Al/ZnO:Al纳米结构的光学散射和吸收截面曲线。实验结果与理论计算相一致。     

真空紫外波段铝反射膜制备

为制备出在130～210nm波段具有良好光谱性能的铝反射膜,优化设计了铝反射镜中铝层和保护层氟化镁的厚度,理论确定铝层和氟化镁保护层最佳厚度分别为80nm和33nm。采用热舟蒸发工艺,在BK7基片上制备了Al反射膜样品,获得了130～210nm波长范围内反射率均大于80%的金属铝膜。研究了铝层沉积速率和紫外辐照处理对薄膜性能的影响,并考察了铝膜光谱性能的时效性。结果表明铝层沉积速率越快,制备的铝膜反射率越高;合理地存放铝膜元件,可以长时间内保持铝膜的光谱性能。适当的紫外辐照处理能进一步提高铝膜在真空紫外波段的反射率。     

表面等离子体共振与表面增强拉曼散射相关性研究

本实验利用实验室搭建的SPR-SERS显微拉曼光谱仪同时检测了吸附在40 nm银膜上的4-amin-othiophenol(4-ATP)自组装膜的表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance,简称SPR)消光谱及表面增强拉曼散射(Surface-Enhanced Raman Scattering,简称SERS)光谱,研究了两者之间的相关性。实验发现随着SPR吸收的增强,SERS强度也急剧增强,在SPR共振角附近SERS强度是远离共振角处的20多倍。因此在共振角附近能够极大的提高SERS的检测灵敏度并扩展SERS的应用。     

电子束蒸发氧化锆薄膜的粗糙度和光散射特性

利用电子束蒸发工艺，以Ag层为衬底，沉积了中心波长为632.8nm的氧化锆(ZrO₂)薄膜，膜层厚度在80—480nm范围内变化.研究了不同厚度样品的粗糙度变化规律和表面散射特性.结果发现，随着膜层厚度的逐渐增加，其表面均方根(RMS)粗糙度和总积分散射(TIS)均呈现出先减小后增大的趋势.利用非相关表面粗糙度的散射模型对样品的TIS特性进行了理论计算，所得结果与测量结果相一致. 关键词： 氧化锆 表面粗糙度 标量散射 电子束蒸发     

铝纳米颗粒表面等离子体共振峰可控性研究

在石英基底上制备了铝(Al)薄膜,同时加热烘烤制备了Al纳米颗粒,研究了不同厚度的Al纳米颗粒的吸收特性。结果表明,随着烘烤温度的上升,Al薄膜的粗糙度越来越大;当温度达到300℃时,Al薄膜完全转化成Al纳米颗粒。在300℃的烘烤温度下,当膜厚从5nm增加到25nm时,薄膜的共振吸收峰红移40nm。这种制备Al纳米颗粒的工艺简单、省时、成本低、效率高。     

基于金银合金薄膜的近红外表面等离子体共振传感器研究

利用淀积在玻璃衬底上的金银合金薄膜作为表面等离子体共振(SPR)芯片, 构建了Kretschmann结构的近红外波长检测型SPR传感器. 采用不同浓度的葡萄糖水溶液测试了金银合金薄膜SPR传感器的折射率灵敏度. 实验结果表明随着入射角从7.5°增大到 9.5°, SPR吸收峰的半高峰宽从292.8 nm 减小到 131.4 nm, 共振波长从 1215 nm蓝移到 767.7 nm, 折射率灵敏度从35648.3 nm/RIU 减小到 9363.6 nm/RIU.在相同的初始共振波长(λ_R)下获得的金银合金薄膜SPR折射率灵敏度高于纯金膜(纯金膜在λ_R=1215 nm下的折射率灵敏度为29793.9 nm/RIU). 利用1 μmol/L的牛血清蛋白(BSA)水溶液测试了传感器对蛋白质吸附的响应.结果表明, BSA分子吸附使得金银合金薄膜SPR吸收峰红移了12.1 nm而纯金膜SPR吸收峰仅红移了9.5 nm. 实验结果还表明, 在相同λ_R下, 金银合金薄膜SPR吸收峰的半高峰宽大于纯金膜的半高峰宽, 因此其光谱分辨率比纯金膜SPR传感器低. 关键词： 金银合金薄膜 表面等离子体共振 波长检测型 高灵敏度     

Co:BaTiO3纳米复合薄膜的制备及其结构

用脉冲激光沉积技术(PLD)在MgO(100)基底上生长了嵌埋Co纳米晶的BaTiO3复合薄膜. 分别利用x射线衍射(XRD)、原子力显微镜(AFM)以及拉曼光谱(Raman)对薄膜的微观结构、表面 形貌进行了表征. 结果表明该薄膜为c轴取向的四方晶体结构，薄膜表面均匀、致密、 具有原子尺度的光滑性，其均方根表面粗糙度(RMS)达到015nmCo以纳米晶形式嵌埋BaTi O3基体中，呈单分散性均匀分布，其粒径随激光脉冲数的增加而增大. Co：BaTiO3纳米 复合薄膜拉曼峰的强度随钴纳米晶粒径的增加明显减弱，但是峰的宽度逐渐增加. 关键词： Co：BaTiO3 纳米复合薄膜 脉冲激光沉积     

Co/Ti金属磁性多层膜的激光布里渊散射研究(英文)

在室温下利用直流磁控溅射法制备出了具有不同Co层厚度的 [Co(dConm) /Ti(dTinm) ]n 金属磁性多层膜 (其中dCoanddTi是Co和Ti的厚度 ,n薄膜调制周期数 )。在 30 0K下用X射线衍射法 (XRD)和布里渊散射方法研究了Co层厚度分别为dCo=1 ,2 ,2 5 ,3 5nm ,Ti层厚度为dTi=2 5nm的Co/Ti多层膜。XRD的结果所示在Co/Ti多层膜中Co层厚度超过 2 5nm ,其结构类似块材Co的多晶结构。对比之下 ,Co/Ti多层膜中Co层厚度低于 2 5nm ,其XRD衍射峰随Co层厚度减少变的峰形加宽 ,衍射峰的强度减少 ,峰位移动和消失。在Co/Ti多层膜中自旋波的布里渊散射结果表明 :在Co/Ti多层膜中 ,对于dCo>2 5nm磁性呈铁磁性耦合 ,在dCo≤ 2 5nm时 ,其呈反铁磁性耦合。除表面自旋波外 ,在呈反铁磁性耦合的材料中观测到了两个有体特征的自旋波 ,而在呈铁磁耦合的材料中只观测到一个有体特征的自旋波。     

Al纳米颗粒表面等离激元对ZnO光致发光增强的研究

基于聚苯乙烯球自组装法,在P型氮化镓(P-GaN)衬底上制备了有序致密的掩模板;采用热蒸发法在该模板上沉积金属Al薄膜,通过甲苯溶液去除聚苯乙烯球,得到了金属Al纳米颗粒阵列;采用原子层沉积法,在Al纳米颗粒阵列表面依次沉积氧化铝(Al_2O_3)和氧化锌(ZnO).通过测试Al纳米颗粒阵列的消光谱以及ZnO薄膜的光致发光谱,研究了Al纳米颗粒表面等离激元与ZnO薄膜激子之间的耦合效应.实验结果表明:引入Al纳米颗粒后,在约380 nm位置附近的ZnO近带边发光峰积分强度增强了1.91倍.对Al纳米颗粒表面等离激元增强ZnO光致发光的机理进行探讨.     

表面增强拉曼光谱研究高分子共混物薄膜相结构

采用拉曼光谱法研究了由聚苯乙烯(PS)/聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的四氢呋喃(THF)溶液在玻璃基板上旋转涂膜得到的共混物薄膜。应用显微共焦拉曼光谱,根据PS在1604,1585cm-1处苯环的伸缩振动峰和PMMA在1728cm-1处羰基的伸缩振动峰,可以确定薄膜(厚度约为800nm)表面海岛状相结构的组分分布信息。另外,还对210℃下PS/PMMA(30/70)共混物薄膜退火过程中表面的变化进行了分析。采用表面增强拉曼散射效应对高聚物的增强作用得到了薄膜(厚度约为400nm)的Raman光谱,并且成功地对其组成进行了分析。     

内置调制层型光纤表面等离子体波共振传感器研究

研究了一种基于内置调制层结构的光纤表面等离子体波共振(SPR)传感器。通过在金膜与纤芯的内侧增覆具有不同厚度和属性的光学透明薄膜作为内调制层,构成了性能独特的光电复合薄膜,起到调节倏逝波矢量和金膜表面等离子体振荡波矢量的双重作用,进而控制共振效应,为调节灵敏度提供依据。采用时域有限差分方法对内置调制层结构光纤SPR共振激励模型属性进行数值仿真。在此基础上,研制了用于液体折射率测量的内置调制层型光纤SPR传感探针。实验结果表明,该传感器在1.335～1.392折射率范围内,随着待测液体折射率的增大,SPR共振光谱向长波方向偏移,且灵敏度达到2263.1nm/RIU,与基于纤芯-金膜-环境介质三层结构的常规光纤SPR传感器相比提高一倍,能够更好地满足环境折射率检测的需求。     

基于CVD方法生长在硅基底上立方碳化硅的拉曼散射研究（英文）

立方碳化硅(3C-SiC)薄膜通过化学气相沉积(CVD)制备在Si(100)衬底上。本论文主要通过椭偏光谱仪(SE)和拉曼散射仪对3C-SiC薄膜的微观结构和光学性能进行进一步的研究。根据SE的分析获得3CSiC薄膜厚度;根据拉曼散射的分析:可从TO模式和LO模式的线形形状的拟合得到样品的相关长度和载流子浓度。结果表明:该碳化硅(3C-SiC)薄膜质量随膜厚度增加而得到提高,同时分析了外延层厚度对薄膜特性的影响。     

低温铝诱导晶化制备纳米晶硅薄膜的物相和光学性能研究

采用射频磁控溅射镀膜系统,在玻璃衬底上制备了非晶硅(α-Si)/铝(Al)复合薄膜,结合氮气(N₂)气氛中低温快速光热退火制备了纳米晶硅(nc-Si)薄膜;利用光学显微镜、共焦光学显微仪、X射线衍射(XRD)仪、拉曼散射光谱(Raman)仪和紫外-可见光-近红外分光光度计(UV-VIS-NIR)对纳米晶硅薄膜的表面形貌、物相及光学性能进行了表征,研究了退火工艺对薄膜性能的影响。结果表明： 300 ℃,25 min光热退火可使α-Si/Al膜晶化为纳米晶硅薄膜,晶化率为15.56%,晶粒尺寸为1.75 nm;退火温度从300 ℃逐渐升高到400 ℃,纳米晶硅薄膜晶粒尺寸、晶化率、带隙逐渐增加,表面均匀性、晶格畸变量逐渐减小;退火温度从400 ℃逐渐升高到500 ℃,纳米晶硅薄膜的晶粒尺寸、晶化率继续增加,带隙则逐渐降低;采用纳米晶硅薄膜的吸光模型验证了所制备的纳米晶硅薄膜的光学特性,其光学带隙的变化趋势与吸光模型得出的结果一致。     

Au/SiO2纳米多层薄膜的制备及其性质表征

利用多靶磁控溅射技术制备了Au/SiO2纳米颗粒分散氧化物多层复合薄膜.研究了在保持Au单层颗粒膜沉积时间一定时薄膜厚度一定、变化SiO2的沉积时间及SiO2的沉积时间一定而改变薄膜厚度时,多层薄膜在薄膜厚度方向的微观结构对吸收光谱的影响.研究结果表明:具有纳米层状结构的Au/SiO2多层薄膜在560nm波长附近有明显的表面等离子共振吸收峰,吸收峰的强度随Au颗粒的浓度增加而增强,在Au颗粒浓度相同的情况下,复合薄膜光学吸收强度随薄膜厚度的增加而增强.但当金属颗粒的浓度增加到一定程度时,金属颗粒相互接触,没有观察到纳米层状结构,薄膜不显示共振吸收峰特征.用修正后的M-G(Maxwell-Garnett)理论对吸收光谱进行了模拟,得到了与实验一致的结果.     

聚甲基丙烯酸甲酯间隔的金纳米立方体与金膜复合结构的表面增强拉曼散射研究

金属纳米颗粒与金属薄膜的复合结构由于其局域表面等离子体和传播表面等离子体间的强共振耦合作用,可作为表面增强拉曼散射(SERS)基底,显著增强吸附分子的拉曼信号.本文提出了一种聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)间隔的90 nm金纳米立方体与50 nm金膜复合结构的SERS基底,通过有限元方法数值模拟,得到PMMA的最优化厚度为15 nm.实验制备了PMMA间隔层厚度为14 nm的复合结构,利用罗丹明6G (R6G)为拉曼探针分子, 633 nm的氦氖激光器作为激发光源,研究了复合结构和单一金纳米立方体的SERS效应,发现复合结构可以使探针分子产生比单一结构更强的拉曼信号.在此基础上,研究了不同浓度金纳米立方体水溶液条件下复合结构中R6G的拉曼光谱.结果表明,当金纳米立方体水溶液浓度为5.625μg/mL的条件下复合结构中R6G的拉曼信号最强,且可测量R6G的最低浓度达10~(–11) mol/L.     

原子层沉积制备Al_2O_3薄膜的光学性能研究

研究了原子层沉积制备氧化铝薄膜的光学性能。以三甲基铝(TMA)和水为前聚体,分别在基板温度为250℃和300℃的K9和石英玻璃衬底上沉积了Al2O3光学薄膜。采用分光光度计,X射线光电子能谱(XPS),X射线衍射(XRD),原子力显微镜(AFM),扫描电子显微镜(SEM)等分析手段对薄膜的微结构、表面形貌和光学特性进行了研究。结果表明,原子层沉积法制备的Al2O3薄膜在退火前后均呈现无定形结构,元素成分接近化学计量比,其表面粗糙度小于1.2nm,聚集密度高于0.97,光学非均匀性优于1%。同时在中紫外到近红外均有很好的光学性能,适合作为中间折射率和低折射率材料在光学薄膜中得到应用。     

以非晶碳作硅基红外增透膜的实验研究

在室温下，用激光烧蚀石墨靶方法在单晶硅衬底表面沉积了不同厚度的非晶碳膜。对膜进行了表面形貌观察，测试并分析了膜的拉曼散射光谱和傅里叶变换红外光谱。发现膜同晶石墨杂质较少，观察到1200cm^-1附近的非晶金刚石拉曼峰，膜层在红外的光透过率高，在硅衬底上适宜于制作波长短于8μm的红外增透膜。     

不同沉积速率下热蒸发银膜的光学性能和结构分析

实验分别采用5种不同的沉积速率(0.44,0.30,0.18,0.08和0.04nm/s)制备了金属银薄膜,膜系结构为基底/Al2O3/Ag/Al2O3/Air。光谱测试结果表明,沉积速率0.18nm/s的样品具有最高的平均反射率。采用X射线衍射(XRD)仪分析了5个样品的X射线衍射谱。银膜择优取向(111)晶向,0.18nm/s的样品衍射峰强度最大、衍射峰半峰全宽最小、晶粒尺寸最大,说明此沉积速率下结晶程度最高。过快或者过慢的沉积速率会导致银膜结晶程度下降,从而导致平均消光系数增大和反射率下降。在实验条件下,银膜的最佳沉积速率在0.18nm/s附近,此时制备的银膜具备最好的结晶程度和最高的反射率,此结论不同于传统意义上认为热蒸发银膜速率越快,成膜质量越高、光谱特性越好的观点。