纳米光子学(等离子激光学)的材料应用

1、纳米光子学（等离子激光学）的材料应用纳米光子学（等离子激光学）的材料应用Contents纳米光子学发展简述纳米有序结构的制备技术表面等离子体激元光子晶体纳米光子学发展简述纳米光子学发展简述纳米技术光子学的发展纳米光子学的诞生与发展纳米技术纳米技术纳米(nanometer)是一个长度单位，简写为nm。1 nm=10(-9) m=10 埃。头发直径：50-100 m, 1 nm相当于头发的1/50000。氢原子的直径为1埃，所以1纳米等于10个氢原子一个一个排起来的长度。纳米技术纳米技术 1. 纳米科学技术 20世纪80年代末期刚刚诞生并正在崛起的新科技，是研究在千万分之一米(107)到十亿分之一

2、米(109米)内，原子、分子和其它类型物质的运动和变化的科学；同时在这一尺度范围内对原子、分子等进行操纵和加工的技术。 2. 纳米科技的主要研究内容 创造和制备优异性能的纳米材料、制备各种纳米器件和装置、探测和分析纳米区域的性质和现象。 纳米材料的分类纳米材料的分类按结构(维度）分为4类：(1) 0维材料尺寸为纳米级(100 nm)以下的颗粒状物质 富勒烯、 胶体微粒、半导体量子点(2) 1维材料线径为1100 nm的纤维(管) 纳米线(L/D10)、纳米棒(2L/D10)、纳米管、纳米丝纳米材料的量子效应及特性纳米材料的量子效应及特性 1. 表面效应 固体材料表面原子周围缺少相邻的原子，构成

3、很多悬挂键，导致表面能及表面结合能极高，易与其它原子相结合而稳定下来，因此具有很高的化学活性。 2. 量子尺寸效应 主要表现就是由粒子尺寸减小引起电子能级形成量子化分布。纳米材料的量子效应及特性纳米材料的量子效应及特性 3. 小尺寸效应 当固体颗粒的尺寸减小到与光波长、德布罗意波长等物理特征尺寸范围或者比其更小时，即进入纳米尺度范围，晶体的周期性边界条件将遭到破坏，导致材料在熔点、磁性、电阻、化学活性以及光吸收等特性方面与同质块材有着巨大的差异，这就是小尺寸效应。纳米材料的量子效应及特性纳米材料的量子效应及特性 4. 宏观量子隧道效应 宏观物理量，如量子相干器件中的磁通量、微颗粒的磁化强度等也

4、显示出隧道效应，它们可以贯穿宏观系统的势垒而产生一系列变化，称之为宏观的量子隧道效应。 5. 库仑堵塞效应 在一个小体系当中，电子只能以单个电子的形式一个一个的进行输运，而不能集中起来一起输运。光子学的发展光子学的发展 光子学内容极为宽广，其涉及多种学科和高技术领域；光子学技术的应用遍及国民经济各行各业和科学技术的各个领域。 据专家预测，在21世纪中，光子产业的总产值将超过电子产业的总产值。因此21世纪被誉为光子世纪光子世纪。光子学的发展光子学的发展1960年激光的发明 激光器(LASER)是电子学中微波量子放大器(MASER)在波长上的延伸。 激光器的发明不仅提供了光频波段的相干电磁波振荡源

5、，而且对时至今日的无线电频率下的许多电子学的概念、理论和技术原则上均可延伸到光频波段，如振荡、放大、倍频、混频、参量、调制、信息处理、通信、雷达以至计算机等 。光子学的发展光子学的发展 光学和电子学两个学科的相互交融，促成了光子学的建立，可以说光子学是发展到现阶段的光学。 由于激光的发明，低损耗光纤的研制成功和半导体光电器件的发展，使光学迅速进入近代高新技术舞台，并对近代科学技术和人类社会生活产生巨大的影响。 TheodoreHaroldMaiman Born Jul 11 1927 光子学与电子学的关系光子学与电子学的关系 光子学与电子学的关系是继承与发展和相互依存的关系。在信息科技领域，2

6、0世纪电子学作出了巨大贡献，但由于其本身固有特性带来的局限而使其进一步发展无论在速度、容量还是在空间相容性上都受到限制。 而光子的特性却蕴藏着巨大的发展潜力并表现出明显的优越性，许多方面弥补了电子学的不足，为信息科技的发展提供了新的可能性。光子技术优越性光子技术优越性 u 器件响应和系统处理速度快。u 光开关器件响应时间最快达到10-15s即飞秒(fs)量级，几乎到了其固有极限值。u 利用多重波长和并行互联处理，能克服冯诺依曼结构的电子计算机的瓶颈效应，实现光互联。u没有阻抗匹配和没有必要布线回路，故可进行高速信号处理。纳米光子学的诞生纳米光子学的诞生 信息社会对集成电路的集成度的要求越来越高

7、，这也促使人们不断探索能够突破器件尺寸极限的途径。于是在这种形势的威逼下纳米光子学（Nanophotonics）便应运而生了。 研究纳米结构中电子与光子的互作用及其器件的学科;是光子技术与纳米电子技术相融合合而开拓出的一门崭新的学科。纳米光子学的诞生纳米光子学的诞生 纳米光子学的一个理想目的就是通过纳米技术，将有可能从单个的分子开始构建出功能完全等同于芯片的一种物质，它既能够储存数据又能用作电子通道的开关。纳米光子学将朝向纳米光电子集成的方向发展。纳米光子学的发展纳米光子学的发展光子学+纳米技术 纳米光子学+纳米光子技术纳米光子工程纳米光子产业纳米光子器件纳米光子器件纳米光子器件是纳米光子学的

8、一个重要组成部分。目前在研究的纳米光子器件有：纳米激光器、量子点红外光电探测器、多量子阱自电光效应器件（MQW-SEED）、超晶格多量子阱红外光电探测器阵列、纳米级薄膜制作的红外摄像器件、光子晶体波导器件等。纳米有序结构的制备技术纳米有序结构的制备技术电化学方法模板法纳米压印方法电化学方法电化学方法利用两步氧化的利用两步氧化的方法制备多孔氧方法制备多孔氧化铝模板（化铝模板（PAA 或或AAO）Fig. 1. (a) Schematic illustration of the two step anodization procedure. (b) AFM image (400 nm400 nm

9、scan) of fabricated AAO nanowells.电化学方法电化学方法图 2. 用于制备多孔氧化铝膜的两种电解池示意图：（a）纵向装置 （b）横向装置电化学方法电化学方法Figure 3. A series of SEM images acquired from the silver-coated PAA membranes formed under different constant DC voltages: a) 20, b) 30, c) 40, d) 50, and e) 60 V. The scale bar is 100 nm.Thesputteringtime

10、sforthesilverareallsettobe10 min.f)AverageG3sizeasafunction of the applied anodic voltage.模板法模板法Figure 4. Schematic illustration of fabrication of (a) individual spherical porous polymers from solid spherical nanoparticle templates, (b) tubular porous polymers from tubular porous templates, such as

11、AAO, and (c) ordered macroporous polymers from colloidal crystal templates.模板法模板法Figure 5. Formation of a 1D nanostructure via a peel-off process. AAO templates were fabricated by using two-step anodization, followed by surface modification with silane molecules. The nanopores were filled with a PDM

12、S precursor, which was peeled off from thetemplate after curing. The nanofibers are released from the template (top) or are ruptured (bottom).例一：例一：模板法模板法Figure 6. Cross-sectional SEM images of silane-modified AAO surfaces after the peel-off process. (a) NH2-terminated and (b) CH3-terminated (inset:

13、 top-view image). The scale bar is 1 m.Figure 7. The nanoreplicas were peeled off from AAO nanotemplateswith (a) a diameter of 250 nmand a pore length of 1.2 m and (b) a diameter of 250 nm and a pore length of 1.7 m. No rupture of nanofibers occurred. Instead, the peeled off nanofibers collapsed bec

14、ause the spacing between the nanofiberswith this high aspect ratio is too close. The inset images show the corresponding AAO nanotemplates. The scale bar is 1 m.模板法模板法Fig. 8. Schematic Outline of the Experimental Procedure Used to Fabricate Free-Standing Au Nanotube Membranea例二：例二：模板法模板法Figure 9. (a

15、-c) SEM images of Au nanotube membranes fabricated from nanoporous AAO templates with different pore diameters (182, 222, and 326 nm for a, b, and c, respectively). Electrodeposition was carried out at a current density of 1.5 mA/cm2 for 50 s at 17 C. (d-f) SEM images of 2-D arrays of Pt nanodots sp

16、uttered on Si substrate by using respective membranes a-c. The high magnification views of each micrograph are presented as inset.纳米压印方法纳米压印方法Fig. 10. Schematic diagrams of imprint technologies (a) conventional nanoimprint lithography, (b) direct imprint metal films, (c) nanoimprint in metal/polymer

17、 bi-layer (NIMB).三种基本方法：如图所示。纳米压印方法纳米压印方法Figure 11. Schematic procedure for the preparation of hierarchical structures by wetting anodic aluminum oxide membranes with polystyrene microspheres.纳米压印方法纳米压印方法PAA模板纳米压印方法纳米压印方法Fig. 12. Color online Schematic diagram to fabricate AAO with ideallyordered ma

18、trix arrays of pores using imprint stamps.纳米压印方法纳米压印方法FIG. 13. FE-SEM images of Si3N4 imprint stamp: a pillars with a diameter of 45 nm and center-to-center distances of 100 nm and b pillars with a diameter of 80 nm and center-to-center distance of 200 nm.FIG. 14. FE-SEM images of e-beam pattern: a

19、dot array with a diameter of 45 nm and a periodic distance of 100 nm and b dot array with a diameter of 80 nm and a periodic distance of 200 nm.纳米压印方法纳米压印方法模板不一样，纳米压印出来的结构形貌也随着改变模板不一样，纳米压印出来的结构形貌也随着改变纳米压印方法纳米压印方法Fig. 15. (a) Schematic illustration of the fabrication of a corrugated Au film using the

20、 direct nanoimprint-in-metal method. (b) SEM image of a corrugated Au film. Inset: Cross-sectional SEM image. (c) 3D-FDTD simulated image of the corrugated Au film. (d and e) Photographs of (d) a corrugated Au film and (e) its highly flexible structure.Directly patterning metalfilms by nanoimprint l

21、ithography with low-temperature and low-pressure纳米压印方法纳米压印方法Fig. 16. SEM images of molds (a) the conventional binary mold with flattop, (b) the sharp mold, (c) the triangle mold.纳米压印方法纳米压印方法Fig. 17. SEM images of the cross-section of the gold film stack patternedby using the NIMB method.表面等离子体激元表面等离

22、子体激元SPPs的相关概念SPPs特性和激发SPPs的应用SPPs的相关概念的相关概念 表面等离子体激元(SPPs)是光和金属表面的自由电子相互作用所引起的一种电磁波模式，或者说是在局域金属表面的一种自由电子和光子相互作用形成的混合激发态。 SPPs的相关概念的相关概念 在电子和光子的相互作用中，自由电子在与其共振频率相同的光波照射下发生集体振荡。它局限于金属与介质界面附近，沿表面传播，并能在特定纳米结构条件下形成光场增强，这种表面电荷振荡与光波电磁场之间的相互作用就构成了具有独特性质的SPPs。SPPs的特性的特性SPPs的特性主要有以下三个：u 表面局域特性u 近场增强u 短波长Compa

23、ny SPPs的特性的特性 SPPs的特性的特性计算可得sp的实部和虚部分别为：进而可以得到穿透深度sp的表达式为：SPPs在垂直于金属表面的方向电场强度是呈指数衰减的 ，这对应于SPPs的表面局域特性。SPPs的特性的特性 SPPs的近场增强的近场增强 表面增强拉曼散射，提高拉曼散射信号强度，且界面上为最大。 SPPs近场增强的程度取决于金属的介电常数、表面粗糙程度引起的辐射损耗以及金属薄膜厚度等。Company SPPs的特性的特性 SPPs的激发的激发空气和银界面上的SPP色散SPPs的激发的激发 在低频区域，SPP非常接近于光线，此时可以描述为一个极子(polarition),随着频率

24、的增加，SPP远离光线，最贱趋近于一条水平虚线，该虚线代表SPP的共振频率：这是SPP的频率在其波矢k时的极限，发生在金属与电介质的介电常数具有相同值，但是符号相反的情况下。 在同一频率下，SPP的波矢比真空中平面波的大，所以，用平面波照射在金属表面是无法激发SPP的，目前主要用棱镜耦合、光栅耦合和近场耦合。SPPs的应用的应用SPPs的应用主要有以下几个方面：u 产生相干极紫外辐射u 生物和医疗u 新型光源和能源u 光子芯片和集成器件u 光存储产生相干极紫外辐射产生相干极紫外辐射 在一定的条件下，用fs激光照射金属纳米结构时，会引起自由电子的集体振荡，在金属表面附近的区域会形成表面等离子体激

25、元波。在一定的频率条件下，可发生等离子体激元共振，这时纳米结构附近的局域光场强度较入射fs激光的光场强度会有大幅的提高。产生相干极紫外辐射产生相干极紫外辐射 纳米尺度局域光场的提高幅度由等离子体激元共振特性决定，即取决于材料的性质、几何形状及尺寸大小等因素。研究结果表明，纳米尺度等离子体激元共振可使局域光场强度提高个数量级。产生相干极紫外辐射产生相干极紫外辐射 2008年6月，国外首次报道了S.Kim等人利用SPPs增强光场效应，直接使用普通的fs激光振荡器与Ar原子相互作用获得了极紫外波段高次谐波的实验结果。 借助于这种光场增强效应 ，以往只有利用飞秒放大器才能实现的某些场强物理现象的研究现在使用fs激光振荡器就可以完成了。生物和医疗生物和医疗 优点能够实时检测生物分子结合反应的全过程，不需要对分子进行标记，而且耗样最少。 因此，SPR技术发展非常迅速，已经成为一种成熟的检测生物分子间相互作用的方法，并发展出SPR生物传感器检测方法。生物和医疗生物和医疗 表面等离子体激元共振还可以用于药物蛋白相互作用和DNA放大检测，该技术以其快速、高灵敏度的特性被广泛地应用到生物分子机制的研究中，包括蛋白相互作用、抗原抗体作用、配体受体相互作用等等。生物