生物模板法制备金属亚波长结构及其表面等离子体光学研究

摘要

表面等离子体被来自物理、化学、材料和生物领域的研究者广泛关注。纳米科学领域的进步推动了金属微观结构的构建和表征，这一进展又进一步促进了表面等离子光学的研究。利用不同方法制备的不同的复杂纳米结构，使我们能够有效的控制表面等离子体极化子，从而更好的研究其物理机制并对其操作以适应于某些实际应用。生物模板法则是近年兴起的一种仿生学方法。利用自然界中已有的生物材料的特殊、复杂结构，以其为模板，利用化学方法制备具有特殊微观结构的无机材料。这一方法代价低廉，而且能获得光刻或者电子束刻蚀无法获得的复杂结构。
　　 利用生物模板法的简易和廉价性来制备周期性结构，并以其为基础制备金属亚波长结构，研究其等离子体光学特性，这两个方面结合的尝试是本文研究探索的背景。
　　 在本文研究中，利用生物模板法，以蝴蝶翅为模板，制备了具有微米量级的亚波长二氧化硅光栅周期性结构，并在这一结构上镀制超薄银膜获得金属亚波长周期性结构。对样品的光学显微测试和扫描电镜测试表明，样品具有良好的微观光栅周期性结构，周期常数约为1微米。根据电镜测试结果，建立时域有限差分法数值模拟模型，对该结构进行透射谱模拟，获得了不同光栅凹槽深度的透射谱图样。电磁波时域有限差分数值模拟的电场分布图显示周期性结构中的凹槽中激发了类法布里-泊罗共振，其中的有些共振模式和金属膜中的等离子体振荡耦合，激发了表面等离子体波，导致了透射增强。这一结果与某些关于狭缝和凹槽的研究报告结果一致。进一步对样品的透射谱测量结果表明存在透射增强现象，这也验证了数值模拟的结果。