表面等离子体激元在近场光刻及微纳波导中应用的初步理论研究

论文摘要

表面等离子体激元因所具有的空间分布、等离子体激元共振以及非线性效应等特点,从而用途广泛。本文在数值模拟的基础上,对其在超分辨近场光刻和微纳波导中的应用做了分析说明。在保持超衍射光刻分辨能力的前提下,对能够产生传输增强、光刻强度均一、对比度高且光刻线间距可减小的金属掩模结构做了理论上的优化设计。计算发现,在光刻通道的入口处设置金属纳米条结构,可使通道中的能量传输效率得到提高,同时也有利于光刻线间距的减小（通过减小光刻通道的间隔来实现）；减小光刻通道间隔,会引起通道出口之间干涉场强度增强,造成出口处场强的对比度下降,为此我们提出在通道出口之间掩模上刻槽的办法,并对影响干涉场强度变化的槽位置、槽深、槽宽等结构参数进行了研究。结果表明,当置刻槽于出口间掩模上的中间位置时,产生的效果最佳。该项研究可为利用金属-介质-金属（Metal-Insulator-Metal, MIM）结构进行精细微结构的光刻加工提供参考。研究了入射光波在“上”型MIM波导中的传输与控制。对影响滤波、光路以及出口处光通量大小变化的槽（刻在波导通道的内壁上）和波导本身结构做了研究,并对由槽引入导致出口处光通量随槽或下层金属膜的位置改变,呈锯齿形分布的现象做了明确解释。该项研究可为开展亚波长尺度下的滤波、光路以及光强调控等相关光子功能器件的研制提供新的思路。研究了双银球纳米粒子链结构的光学效应,对影响表面等离子体激元在其中产生共振和局域场增强位置的粒子大小、粒子对数、间距做了研究。计算发现,多极子,尤其是四极子的共振耦合在其中扮演着重要的角色。在共振状态下,对结构中瞬态极化电流密度进行了分析,解释了为什么倒数第二对球之间的频谱分布是单一的偶极共振峰且最大场增强位置也出现在此的原因。该项研究可为开展金属纳米粒子波导结构在光传感和表面增强光谱分析等方面的应用提供参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 表面等离子体激元概要
• 1.2 本学位论文的主要内容
• 2 电磁场的数值模拟计算
• 2.1 金属介电常数的色散
• 2.1.1 杜鲁德（Drude）模型
• 2.1.2 德拜（Debye）、洛伦茨（Lorentz）模型
• 2.2 时域有限差分法（FDTD）
• 2.2.1 FDTD算法的优点
• 2.2.2 FDTD的数学原理
• 2.3 有限元法（FEM）
• 2.3.1 FEM优缺点比较
• 2.3.2 FEM的应用举例
• 3 金属/电介质分界面的等离子体激元
• 3.1 单一无限大平面的情形
• 3.1.1 基于SPR的棱镜传感器
• 3.1.2 基于SPR的光纤传感器
• 3.2 有限厚度薄板的情形
• 3.2.1 SPs在IMI结构中的耦合共振
• 3.2.2 IMI和MIM结构的色散特性
• 3.3 本章总结
• 4 表面等离子体激元用于近场光刻
• 4.1 MIM结构中SPs的传输研究
• 4.2 MIM结构用于近场光刻研究
• 4.2.1 透射增强的近场光刻
• 4.2.2 SPs干涉的近场光刻
• 4.2.3 深紫外波段近场光刻的初步研究
• 4.3 本章总结
• 5 "⊥"型的MIM波导结构研究
• 5.1 "⊥"型的MIM波导结构用于滤波
• 5.2 "⊥"型MIM波导结构用于动态光控
• 5.3 本章小结
• 6 银纳米球粒子波导结构研究
• 6.1 金属球粒子的等离子体激元共振
• 6.1.1 偶极等离子体激元共振
• 6.1.2 四极等离子体激元共振
• 6.2 银纳米球粒子波导的光学效应
• 6.2.1 单银球粒子波导链的光学效应
• 6.2.2 双银球粒子波导链的光学效应
• 6.3 本章总结
• 结论
• 参考文献
• 创新点摘要
• 博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢
• 作者简介