Al/Al_2O_3复合薄膜的制备及表面等离子体共振性能研究

为了探究氧化层对金属薄膜表面等离子体共振(SPR)特性的调制作用,实验采用直流磁控溅射技术,通过控制沉积功率和沉积时间制备不同厚度的金属铝基薄膜,而后调控退火时间和温度得到相应的铝/氧化铝(Al/Al203)复合薄膜。采用X射线衍射仪(XRD)、原子力显微镜(AFM)、紫外-可见-近红外分光光度计及拉曼光谱仪分别表征样品的结构、表面形貌及SPR特性。XRD测试结果表明,随着金属铝基薄膜厚度的增加,Al/Al203复合薄膜由非晶态转变为较低表面能方向择优生长,薄膜结晶质量提高。其吸收光谱在220 nm附近处出现由双层复合薄膜SPR吸收峰,830 nm附近的峰对应金属铝膜的本征吸收峰。以罗丹明B为例的拉曼光谱测试结果表明,拉曼散射强度随着铝薄膜厚度增加表现为先增强后减弱的趋势,当铝膜厚度为14.5 nm时,表面增强拉曼散射(SERS)效果最显著。实验结果表明,氧化铝膜层对不同厚度的金属铝基薄膜的SPR特性有很好的调制作用,氧化铝化学性质稳定,对样品起到很好的保护作用。     

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U型结构的单模光纤SPR折射率传感器

设计了一种基于U型结构的单模光纤表面等离子体共振折射率传感器,采用在移除部分包层并弯曲成U型固定后的单模光纤表面镀金纳米层和TiO2调制层的方式,实现表面等离子体共振的激发.利用有限元仿真软件COMSOL Multiphysics,研究了不同弯曲半径和TiO2调制层厚度对传感性能的影响.通过对四种弯曲半径(R=0.3cm,0.5cm,0.8cm,1cm)的分析,结果表明随着弯曲半径增大,表面等离子体共振信号强度增大且峰值波长有微小的蓝移.在弯曲半径为0.5cm的条件下,研究了TiO2调制层厚度从0变化到40nm对传感器性能的影响,结果表明随着TiO2调制层厚度增大,表面等离子体共振峰峰值波长红移且对外界折射率变化的灵敏度显著增大.在弯曲半径为0.5cm,TiO2调制层厚度为40nm的条件下,传感器在低折射率区(nd=1.333)灵敏度达到了5 959nm/RIU,高折射率区(nd=1.383)灵敏度达到了11 092nm/RIU.与没有调制层的结果相比,灵敏度提高了一倍左右.     

铜薄膜等离子改性及表面增强拉曼光谱的研究

表面增强拉曼光谱(surface-enhanced Raman spectroscopy, SERS)技术是一种基于探测吸附于金属基底表面分子振动光谱的快速无损检测方法,目前广泛应用于表面吸附、电化学催化、传感器、生物医学检测和痕量的检测与分析等领域。本实验采用直流磁控溅射技术在BK7玻璃基底上沉积一层厚度为50 nm的金属铜薄膜,在Ar离子轰击作用下获得不同表面粗糙度的金属铜薄膜样品,从而制备具有不同表面增强拉曼光谱活性的金属基底。实验样品分别通过X射线衍射仪（XRD）、原子力显微镜（AFM）、分光光度计、拉曼光谱仪表征其结构、表面形貌及光学性质。测试结果表明铜膜在Ar离子束轰击前后,样品X射线衍射谱的峰值强度没有发生变化,说明其晶相结构未发生改变;随着离子束能量的增加,薄膜表面粗糙度改变,光学散射强度随着表面粗糙度的增加而增强;离子束薄膜表面改性后,以罗丹明B(Rh B)为探针分子,表征薄膜样品表面增强拉曼的活性,通过对比不同样品表面Rh B的拉曼光谱,发现其光谱强度随金属铜薄膜样品表面粗糙度的增加而增强。     

基于表面等离子体共振增强的硅基锗金属-半导体-金属光电探测器的设计研究

金属-半导体-金属光电探测器的光栅结构可激发表面等离子体, 有效增强探测器的吸收. 为深入研究器件结构对于表面等离子体的激发及共振增强的影响, 本文提出了一种具有超薄有源层的硅基锗金属-半导体-金属光电探测器的设计方法. 采用时域有限差分的方法详细分析了光栅周期、光栅厚度、 光栅间距及有源层厚度对于表面等离子体共振增强器件性能的影响, 通过仿真模拟获得了器件的最佳结构, 详细地分析了各个界面激发的表面等离子体及其共振模式对于光谱吸收增强的机理. 仿真结果表明, 有源层锗的厚度为400nm的超薄器件在通信波段具有较高的吸收, 尤其在1550nm波长处器件的归一化的光谱吸收率可以高达53.77%, 增强因子达7.22倍. 利用共振效应能够极大地提高高速器件的光电响应, 为解决光电探测器响应度与响应速度之间的相互制约关系提供了有效途径. 关键词： 表面等离子体 锗探测器 时域有限差分仿真     

表面等离子体共振膜系结构优化设计

Kretschmann型激发表面等离子体共振(SPR)膜系结构是探针诱导表面等离子体共振耦合纳米光刻技术(PSPRN)的关键部分之一。采用多层介质的特性矩阵法计算膜系结构的透射系数和反射率,对PSPRN所需的单膜层、双膜层及三膜层膜系结构进行了优化设计。计算结果表明,光波波长为514.5 nm时,对于选定材料的最佳膜系结构是Ag膜厚度为46 nm的单膜层结构,Ag膜厚度为24 nm,AgOx厚度为95 nm的双膜层结构及Ag膜厚度为44 nm,SiO2厚度为180 nm,AgOx厚度为10 nm的三膜层结构,提出了记录层材料应选择折射系数小且吸收系数尽可能小的光刻材料的观点。     

金银双金属纳米壳层结构的SERS活性研究

利用磁控溅射技术在组装整齐的微球表面依次镀上银、金薄膜,获得双金属纳米壳层结构。以对巯基苯胺(p-ATP)为探针分子,研究了该壳层结构在不同激发线下SERS增强差异。测试结果表明,金银双金属纳米壳层结构在780nm激光下具有很好的SERS增强效果,并随着外层金膜厚度的减小而逐渐增强。对各个基底的增强因子进行计算可知,基底的表面等离子体共振(SPR)峰与激发线的匹配程度越好,其增强因子越大。由于金的高稳定性和良好的生物相容性,该基底在SERS生物传感方面具有很大应用潜力。     

Cu膜的光学特性尺寸效应及最小连续膜厚研究

采用离子束溅射在K9玻璃基底上沉积了不同厚度的Cu膜,利用Lambda-900分光光度计,测量了波长为310 nm到1300 nm范围内Cu膜的反射率和透射率.选定波长为310、350、400、430、550、632、800、1200 nm时对薄膜的反射率、透射率和吸收率随膜厚变化的关系进行研究.同时,对Cu膜的光学常量也进行了讨论.结果显示,Cu膜的光学特性都有明显的尺寸效应.将波长为550 nm时的反射率和透射率随Cu膜厚度变化关系的交点对应厚度作为特征厚度, 该厚度可认为是金属Cu膜生长从不连续膜进入连续膜的最小连续膜厚.根据这一特征判据,离子束溅射沉积Cu膜样品的最小连续膜厚为33 nm.利用原子力显微镜观测了膜厚在特征厚度附近时Cu膜的表面形貌.     

介质光栅/金属薄膜与银立方体复合结构的SPs研究

理论设计了介质光栅/金属薄膜与银纳米立方体复合结构,通过有限元方法数值模拟计算了该结构中的超高电场增强因子.使用442nm波长的激光作为表面等离子体的激发光源,研究不同尺寸银纳米立方体的消光谱以及不同光栅周期和厚度的反射光谱,得到的该复合结构的最优参数为:光栅周期312nm,厚度90nm,银纳米立方体70nm.在最优参数条件下,数值模拟了复合结构中的电场增强分布,介质光栅/金属薄膜与银纳米立方体复合结构由于存在局域表面等离子体和传播表面等离子体的共振耦合,使得光栅脊与银纳米立方体下顶点接触处热点的电场增强因子高达1.53×106.该复合结构产生的超高电场增强因子,有望应用于表面增强拉曼散射的研究.     

用表面等离子体共振原理检测湿度环境（英文）

采用Kretschmann结构激发表面等离子体,利用多孔陶瓷材料SiO2作感湿材料,当外界环境的相对湿度变化时,引起感湿层SiO2的折射率发生相应变化,导致表面等离子体共振角发生偏移.采用有限元法对传感系统在不同感湿层折射率下的反射谱进行了模拟分析,并根据反射谱的共振半峰宽和共振峰深度对金膜的厚度进行优化.研究结果表明:金膜的最佳厚度为55nm,反射谱的共振角偏移量与感湿层折射率变化呈线性关系,湿度检测的分辨率高达0.37%RΗ,灵敏度达到0.03°/%RH.该研究对基于表面等离子体共振原理的湿度传感器的研制与应用具有一定意义.     

Low-cost,high performance surface plasmon resonance-compatible films characterized by the surface plasmon resonance technique

A new analytical method based on the surface plasmon resonance (SPR) technique is presented, with which SPR curves for both wavelength and angular modulations can be obtained simultaneously via only a single scan of the incident angle. Using this method, the SPR responses of TiO2-coated Cu films are characterized in the wavelength range from 600 nm to 900 nm. For the first time, we determine the effective optical constants and the thicknesses of TiO2-coated Cu films using the SPR curves of wavelength modulation. The sensitivities of prism-based SPR refractive index sensors using TiO2-coated Cu films are investigated theoretically for both wavelength and angular modulations, the results show that in the case of sensitivity with wavelength modulation, TiO2-coated Cu films are not as good as the Au film, however, they are more suitable than the Au film for SPR refractive index sensors with angular modulation because a higher sensitivity can be achieved.     

旋涂法制备WO3薄膜电致变色性能

"智能窗"大规模推广顺应可持续发展潮流,三氧化钨(WO_3)是生产"智能窗"的一种重要电致变色材料,但调控WO_3薄膜电致变色性能机制仍待进一步研究。采用旋涂法制备WO_3薄膜,重点研究了溶液浓度和旋涂次数对调控WO_3薄膜电致变色性能的影响。通过表面轮廓仪测量薄膜厚度,X射线衍射(XRD)测量薄膜结晶情况,原子力显微镜(AFM)和扫描电子显微镜(SEM)分析薄膜表面形貌,光谱仪测量薄膜初始态、着色态和褪色态的透射率。实验结果表明,随着溶液浓度增加(0. 2～1. 0 mol/L),薄膜厚度从9. 7 nm增加到33. 3 nm,透射率调制能力从0%提升到37. 0%;多次旋涂薄膜厚度线性增长,线性拟合优度(R~2)达0. 98,5次旋涂后透射率调制能力达51. 3%。改变溶液浓度和旋涂次数都是调控薄膜透射率调制能力的有效手段,精准调控薄膜透射率调制能力对设计不同应用场景的电致变色器件具有重大意义。     

纳米金表面修饰与表面等离子体共振传感器的相互作用研究

为了分析纳米金表面修饰对表面等离子体共振(SPR)的放大作用,以及其对传感器本身的影响,首先,基于色散介质的吸收理论,通过建立波长型SPR生物传感器四层膜结构的数学模型,理论分析了传感器表面所吸附纳米金对传感器的影响:纳米金的表面修饰,改变了表面等离子体传感器中棱镜表面各介质层内电磁场的能量分布,削弱了金属膜在共振吸收中的作用,从而使SPR曲线的半波宽度增加,最小反射系数增大,金膜的最优膜厚度也随之改变.其次,通过不同厚度的金膜外吸附纳米金的对比试验,验证了此理论.金膜厚45nm、表面修饰10nm纳米金颗 关键词： 表面等离子体共振 生物传感器 纳米金 金属膜     

后退火处理对铟锡氧化物表面等离激元共振特性的影响

近年来,表面等离激元光子学发展迅速,并取得了众多新成果.重掺杂半导体材料的表面等离激元共振性质的研究,也得到了人们越来越多的关注.本文通过纳米球刻印技术制备准三维二氧化硅纳米球阵列,在阵列上沉积铟锡氧化物薄膜,通过不同条件下的后退火处理改变铟锡氧化物薄膜的载流子浓度和载流子迁移率,并研究随着材料性质的改变其相应表面等离激元共振特性的变化规律.结果表明：退火处理均使铟锡氧化物薄膜的晶粒长大,光学透过率增加;在空气中退火会导致铟锡氧化物薄膜的载流子浓度减少,其表面等离激元共振峰红移;而真空退火则使铟锡氧化物薄膜的载流子浓度增加,共振峰蓝移.这些研究结果可为后续铟锡氧化物表面等离激元材料及器件的研究提供科学依据和实际指导.     

Systematic interconnected web-like architecture growth of sprayed TiO2 films

Systematic improvement in interconnected web-like architecture with thickness of TiO2 films synthesized by spray pyrolysis method is reported and characterized for the structural, optical, surface morphological, and wettability properties. Deposited TiO2 films were crystalline with [120] direction orientation, uniform and adherent to the glass substrate. Interestingly, with increase in film thickness, fuzzy and blurred web-like architecture becomes more clear and sharp with well-defined boundaries. The band gap energy was decreased with increase in film thickness. Change in surface architecture resulted into smaller surface wettability in thick film compared to thin one.     

The film thickness dependent thermal stability of Al<Subscript>2</Subscript>O<Subscript>3</Subscript>:Ag thin films as high-temperature solar selective absorbers

The monolayer Al₂O₃:Ag thin films were prepared by magnetron sputtering. The microstructure and optical properties of thin film after annealing at 700 °C in air were characterized by transmission electron microscopy, X-ray diffraction, X-ray photoelectron spectroscopy, and spectrophotometer. It revealed that the particle shape, size, and distribution across the film were greatly changed before and after annealing. The surface plasmon resonance absorption and thermal stability of the film were found to be strongly dependent on the film thickness, which was believed to be associated with the evolution process of particle diffusion, agglomeration, and evaporation during annealing at high temperature. When the film thickness was smaller than 90 nm, the film SPR absorption can be attenuated until extinct with increasing annealing time due to the evaporation of Ag particles. While the film thickness was larger than 120 nm, the absorption can keep constant even after annealing for 64 h due to the agglomeration of Ag particles. On the base of film thickness results, the multilayer Al₂O₃:Ag solar selective thin films were prepared and the thermal stability test illustrated that the solar selectivity of multilayer films with absorbing layer thickness larger than 120 nm did not degrade after annealing at 500 °C for 70 h in air. It can be concluded that film thickness is an important factor to control the thermal stability of Al₂O₃:Ag thin films as high-temperature solar selective absorbers.     

Raman micro‐spectroscopy for quantitative thickness measurement of nanometer thin polymer films

The sensitivity of far‐field Raman micro‐spectroscopy was investigated to determine quantitatively the actual thickness of organic thin films. It is shown that the thickness of organic films can be quantitatively determined down to 3 nm with an error margin of 20% and down to 1.5 nm with an error margin of 100%. Raman imaging of thin‐film surfaces with a far‐field optical microscope establishes the distribution of a polymer with a lateral resolution of ~400 nm and the homogeneity of the film. Raman images are presented for spin‐coated thin films of polysulfone (PSU) with average thicknesses between 3 and 50 nm. In films with an average thickness of 43 nm, the variation in thickness was around 5% for PSU. In films with an average thickness of 3 nm for PSU, the detected thickness variation was 100%. Raman imaging was performed in minutes for a surface area of 900 µm². The results illustrate the ability of far‐field Raman microscopy as a sensitive method to quantitatively determine the thickness of thin films down to the nanometer range. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

钼掺杂氧化锌薄膜的结构、光学和表面等离子体特性研究

室温下,通过直流磁控反应溅射在石英衬底上制备一系列钼掺杂氧化锌薄膜。分别采用X射线衍射(XRD)、原子力显微镜(AFM)、分光光度计及拉曼光谱仪研究了钼掺杂浓度对氧化锌薄膜结构、表面形貌、光学性能和表面等离子体特性的影响。XRD测试结果表明,零掺杂氧化锌薄膜结晶良好,呈c轴择优取向,掺杂后薄膜缺陷增多,结晶质量下降,当掺杂浓度达到3.93 Wt%时,薄膜由c轴择优取向的晶态转变为非晶态。AFM测试结果表明非晶态掺钼氧化锌薄膜表面光滑,粗糙度最低可达489 pm。透射光谱表明所有薄膜样品在可见光范围(400～760 nm)平均透过率均达到80%,禁带宽度随着掺杂浓度的提高从3.28 eV单调增加至3.60 eV。吸收光谱表明氧化锌薄膜表面等离子体共振吸收峰随钼掺杂量的增大发生蓝移,而拉曼光谱表明Mo重掺杂时ZnO薄膜表面拉曼散射信号强度显著降低。通过Mo掺杂获得非晶态氧化锌薄膜,拓宽了氧化锌薄膜材料的应用领域,同时研究了Mo掺杂浓度对氧化锌薄膜表面等离子体的调控作用,这对制备氧化锌基光子器件具有重要参考价值。     

铟锡氧化物薄膜表面等离子体损耗降低的研究

本文采用直流磁控溅射方法在普通浮法玻璃基底上制备了立方多晶铁锰矿结构的铟锡氧化物(indium tin oxide, ITO)薄膜,并对其进行了结晶性、表面粗糙度、紫外-可见吸收光谱、折射率、介电常数及霍尔效应的测试.研究了溅射时基底温度的改变对于ITO薄膜的光电、表面等离子体性质的影响.随着基底温度由100?C升高至500?C,其光学带隙(3.64—3.97eV)展宽,减少了电子带间跃迁的概率,有效降低了ITO薄膜的光学损耗.与此同时,对应ITO薄膜的载流子浓度(4.1×10~(20)-—2.48×10~(21)cm~(-3))与迁移率(24.6—32.2 cm~2·V~(-1)·s~(-1))得到提高,电学损耗明显降低.     

Influence of surface roughness on surface plasmon resonance phenomenon of gold film

We experimentally investigate the effects of the surface roughness of gold thin films on the properties of surface plasmon resonance. By annealing at different temperatures, film samples with different surface morphologies are obtained. Specifically, due to the diffusion of the gold atoms towards the films3 surface, the surface rootmean-square roughness decreases with the increasing annealing temperature. Then, we measure the surface plasmon resonance of the samples. The results show that the resonance angle of the surface plasmon resonance is sensitive to the root-mean-square roughness, and it gradually decreases by reducing the surface root-mean-square roughness.Yang