Metamaterials的制备及其光学性质的研究

论文摘要

在探索可调控光的人工材料的过程中,超材料（Metamaterials）引起了很大的关注,其中亚波长的纯介电光子晶体（光子晶体）和金属-介电型光子晶体（表面等离激元晶体）新颖而丰富的物理光学性质,使其成为当前研究的热点。本文旨在使用自组装法和热蒸镀法制备结构参数可调的胶体光子晶体和表面等离激元晶体,并且通过Ansoft HFSS软件模拟多种结构模型。使用直径纳米量级的聚苯乙烯微球,很容易通过自组装方法制得大面积的胶体光子晶体,对于其表面形态和缺陷的控制,需通过大量实验对制备方法和制备参数进行优化。本文的主要内容为：1、使用单开口微腔法、旋涂法、滴液法和垂直沉降法等四种自组装方法制备胶体晶体,从而寻找出可以制备大面积有序高质量的胶体晶体的自组装方法,并对其制备参数进行探索优化；并使用制得的胶体晶体为衬底,淀积金属银层,得到表面等离激元晶体。在实验中观察到,采用垂直沉降自组装方法可制备出高质量的胶体晶体；在制备过程中,对于不同球径的微球,应选择各自合适的悬浊液体积分数和蒸发温度。表面等离激元晶体的零级透射光谱在可见光区域具有增强透射现象,晶体表面形态越好,性能越佳；其主透射峰的位置与微球直径有关,随着微球直径的增大,透射峰对应波长红移。2、使用Ansoft HFSS计算机软件对实验样品进行仿真模拟,得到接近实验结果的模拟参数。研究发现,使用理想匹配层和主从边界条件的仿真模型更为接近实验测量值,其模拟计算的透射光谱与实际测量透射光谱具有相同的趋势。同时发现,胶体晶体随微球直径的增加,即周期结构的周期增大,透射谷红移,与实验测量是一致的。对于表面等离激元晶体,随着周期增大,透射峰红移;随着金属银层厚度的增加,透射率下降,但透射峰位置不变。3、初步探索使用干涉光刻法和蒸镀法结合制备表面等离激元晶体,使用双束光单次曝光制备出高度有序的周期性有序结构。实验发现,随着干涉光束之间夹角变大,干涉条纹周期变小；条纹的清晰度与曝光强度也有一定关系。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 表面等离激元的基本原理
• 1.3 表面等离激元的特殊性质
• 1.3.1 表面等离激元晶体的增强透射现象
• 1.3.2 表面等离激元晶体的负折射现象
• 1.3.3 表面等离激元晶体的隐身技术
• 1.4 光子晶体及表面等离激元晶体常用制备方法
• 1.5 本文研究主要工作内容
• 第2章 微球自组装Metamaterials的制备
• 2.1 引言
• 2.2 样品制备
• 2.2.1 实验准备
• 2.2.2 自组装制备胶体晶体
• 2.2.3 表面等离激元晶体的制备
• 2.3 实验结果与分析
• 2.3.1 胶体晶体的制备与优化
• 2.3.2 胶体晶体的光学性质
• 2.3.3 表面等离激元晶体的光学性质
• 2.4 小结
• 第三章 模拟计算
• 3.1 引言
• 3.2 仿真原理
• 3.3 结果与分析
• 3.3.1 胶体晶体
• 3.3.2 表面等离激元晶体
• 3.4 小结
• 第四章 干涉光刻技术制备Metamaterials初探
• 4.1 引言
• 4.2 实验制备
• 4.2.1 实验原理
• 4.2.2 实验步骤
• 4.2.3 实验结果
• 4.4 小结
• 第五章 总结
• 参考文献
• 致谢