金属微纳结构及其柔性光子、电子器件研究

摘要

微纳结构作为微纳光子、电子器件的基础组成部分，是目前微纳米技术中的前沿和热点。通过将各种性能迥异的材料在微纳米的跨尺度范围内组合，能够形成具有多层次，多维度的微纳功能结构。这些结构特有的微观形态和材料具有的微观性能一起赋予了微纳结构独特的光学、电学特性。其中，光与金属微纳结构相互作用可产生表面等离激元，能够实现新概念的光传输、光局域和光加热。同时，金属微纳结构在纳米尺度表现出独特的小尺寸效应:其熔点及烧结温度均显著降低，可在接近室温的温度下形成良好的电连接;具有良好的柔韧性，为实现新型柔性光子、电子功能器件提供新途径。这些新颖特性使得金属微纳结构及其柔性器件的研究具有重要的科学意义和应用价值。
　　本论文的研究目的在于探索金属微纳结构中包含的表面等离极化激元传输特性、局域表面等离激元光热效应、小尺寸效应等新特性和新效应。同时，利用上述新颖效应调控金属微纳结构自身形貌及光、电学特性，探索新型金属微纳结构的制备方法，进而实现基于新概念、新结构、新工艺的光子、电子柔性功能器件。
　　本论文首先介绍了金属微纳结构的基本效应，概述了微纳结构在制备技术和柔性集成技术等方面的发展情况。然后着重介绍了论文在金属微纳结构光学、电学、机械性能的变化规律、调控机理等方面的理论和实验研究工作，同时介绍了在金属微纳结构的柔性集成方法以及柔性光子、电子器件应用等方面的探索研究工作。
　　具体研究工作包括以下几个方面:
　　(1)首先研究了表面等离激元的基本原理，包括可传输的表面等离极化激元和局域表面等离激元两部分。基于表面等离极化激元的传输特性提出了具有不对称包层折射率的楔形金属纳米波导结构，发现楔形两侧不对称折射率的引入可减小模式尺寸，增加传播距离。基于局域表面等离激元及其光热效应，探索了银纳米球及银纳米板结构的近场耦合作用。其中，基于银纳米板的结构相比银纳米球具有更显著的近场增强及光热效应，可形成高度局域的可调谐纳米热源。上述研究为后续章节提供了理论基础。
　　(2)提出了两种柔性光传输结构，即基于聚合物多层复合衬底的柔性光波导结构，以及基于超薄金属薄膜及聚合物波导的混合表面等离激元结构。提出了聚合物多层复合衬底柔性光波导结构，研究了聚合物多层复合衬底的光学、机械特性，实现了加速度传感器灵敏度的调节。在此基础上将超薄金属薄膜引入柔性光波导结构，发现了表面等离极化激元的单偏振特性可抑制聚合物矩形波导结构中面外弯曲损耗，并可保持良好的单偏振特性，实现了能够在小弯曲半径下工作的柔性波导偏振器。上述研究为实现高性能的柔性光子器件提供了理论与实验基础。
　　(3)针对低维金属纳米结构的局域表面等离激元共振、光热效应和小尺寸效应展开研究，并应用于柔性电子器件。研究了这些新颖效应对纳米结构的组成、形貌、电学、机械等特性的影响，揭示了其内在的物理机制。发现银纳米板层叠结构可成倍提高电子封装的剪切强度。发现银纳米板层叠结构具有各向异性电导率特性。对将“熔点降低”效应与表面等离激元光热效应结合的纳米尺度局域烧结展开研究，并提出一种基于针管直写-光热烧结的柔性电子器件制备方法，可在表面特性复杂的纸质衬底上制备具有优良弯曲特性的柔性电极。在此基础上提出并展示了具有优异弯折特性的新概念纸基触摸传感器，并建立了触摸传感的理论模型。
　　(4)针对二维金属/石墨烯纳米复合结构的原位光还原制备技术及其在纸基柔性超级电容方面的应用开展研究。提出了利用激光直写技术将二维金纳米结构薄膜引入还原氧化石墨烯(rGO)薄膜，实现具有rGO/Au二维复合结构的原位光还原制备。系统研究了氧化石墨烯/氯酸金(GO/HAuCl4)的光还原过程，包括rGO/Au纳米复合结构的形貌、组成等特性，揭示了氯酸金与GO光还原的内在机制。发现了rGO/Au二维复合结构具有极高的电导率，并论证了rGO/Au微纳薄膜高电导率形成的内在机理;发现了飞秒激光还原可形成的多孔rGO。利用rGO/Au纳米薄膜结构的高电导率特性，实现了具有低等效串联电阻、高倍率性能、高频率响应的柔性共面微型超级电容。提出了基于多层结构的柔性共面微型超级电容，实现了微型超级电容面电容的倍增。

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摘要

英文摘要

缩略名称索引

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 金属微纳结构基本现象和基本效应

1．3 微纳结构的制备技术

1．4 微纳结构的柔性集成

1．5 本论文研究目的和主要内容

第二章 金属微纳结构与光的相互作用

2．1 引言

2．2 表面等离极化激元基本原理

2．3 局域表面等离激元与光热效应基本原理

2．4 楔形金属纳米波导结构的光传输特性

2．5 银纳米结构的局域表面等离激元光热效应

2．6 本章小结

第三章 金属／聚合物微纳结构的光传输特性与柔性光子器件

3．1 引言

3．2 聚合物多层复合衬底柔性光波导及其加速度传感应用

3．3 基于混合等离激元模式的柔性波导TE模式偏振器

3．4 本章小结

第四章 低维金属纳米结构的光热及小尺寸效应与柔性电子器件

4．1 引言

4．2 银纳米板小尺寸效应及光热效应

4．3 银纳米板层叠结构性能及应用

4．4 银纳米线光热效应及纸基柔性集成

4．5 银纳米线电极纸基触摸传感器

4．6 本章小结

第五章 二维金属／石墨烯纳米复合结构及柔性微型超级电容

5．1 引言

5．2 还原氧化石墨烯／金纳米结构纸基微型超级电容制备流程

5．3 氧化石墨烯／氯酸金的原位光还原

5．4 还原氧化石墨烯／金纳米结构共面微型超级电容

5．5 本章小结

第六章 总结和展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

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