Ag纳米颗粒链的制备及其基于表面等离激元的亚波长尺度下光传输特性研究

Optical devices based on surface plasmon-polaritons technology can overcome the shortcoming of converntional optical devices which restricted by the diffraction limit, and transimit and munipulate the light in nanometer-size. One-deimensional nobel metal nanoparticle chain as a structure to simulate and control the surface plasmon-polaritons, due to some degrees of freedom in design and arrangment in a more complex shape,is expected to achieve a true sense of waveguide-type nano device. Theoretical studies indicated that, the optical transmission properties of the nobel metal particle chain can be controlled and improved by optimizing the geometric parameters and introducing the optical gain medium. In this project, we firstly fabricate the metallic superlattice nanowires, and then selectively remove one component to acquire the Ag nanoparticle chain with adjustable geometric parameters containing particle size, aspect ratio and particle diatance; introduce the optical gain medium into the Ag nanoparticle chain by a selective oxidation of the constituent of superlattice nanowires. We Systematically study the impact of the geometric parameters and optical gain medium on the optical transmission performance containing resonant wavelength and tramission length,summarize up the law and establish the relationship of optical transimission properties changes with the geometric parameters and the optical gain medium; on the basic of summing rules, optimize the design parameters of the Ag particle chain in order to achieve high-efficiency optical transmission. This study will provide a systematic experimental evidence for the theoretical research and provide some basis and guide for the design and production of nano-optics device.

基于表面等离激元技术的光学器件可以克服传统光学器件受衍射极限限制的缺点，实现在纳米尺寸下对光的传输和操控。一维贵金属纳米颗粒链作为激发和控制表面等离激元的结构之一，由于其结构设计的自由性以及能够排成复杂的形状，有望实现真正意义上的波导型纳米器件。理论研究表明贵金属颗粒链光传输性能可通过优化其几何参数以及引入光增益介质来调控和改善。本项目中，在金属超晶格纳米线基础上，通过对其进行成分选择性去除，制备一维Ag纳米颗粒链并实现对其几何参数包括颗粒尺寸、长径比及颗粒间距的调控；通过对其进行成分选择性氧化，将增益介质引入金属颗粒链结构中。系统研究几何参数和光增益介质对共振波长和传输距离的影响，总结规律，建立光传输性能随几何参数和光增益介质的变化关系；并以此为指导优化Ag颗粒链参数设计，实现高效率光传输。此项研究将为理论研究提供系统的实验依据，并将为后期纳米光学器件的设计与制作提供一定的基础与指导。

一维贵金属颗粒链是一种重要的波导结构，可以实现在纳米尺度下对光的传输和控制。本项目以可控制备一维贵金属颗粒链并获得颗粒尺寸和间距等几何参数对其光传输行为的影响规律为目标牵引，首先实验研究了超晶格纳米线的生长规律，发现不同生长取向的纳米线生长速率不同，并且生长速率与晶面点阵密度成反比，这一结果遵从布拉维法则。上述研究是实现超晶格纳米线可控制备的基础，也是在超晶格纳米线基础上进行后续结构设计的重要前提。接着，我们在基于超晶格纳米线结构上，发展了两种简便普适的制备金属颗粒链的方法，分别是利用金属化学活泼性不同的电化学腐蚀法，以及利用金属饱和蒸汽压不同的真空选择蒸发技术，实现了贵金属Ag颗粒链以及Ni颗粒链的制备，并成功调控了颗粒尺寸、颗粒间距以及颗粒形状。进一步地，我们研究了金属超晶格纳米线在空气中高温退火时的结构及成分演变机理，并在此基础上制备了NiO管连接的Au纳米颗粒链，实现了具有高介电常数增益介质的引入。最后，我们通过测试Ag/Ni超晶格纳米线的可见光吸收谱，系统研究了周期Ag纳米结构中的光耦合情况以及光传输行为。结果发现，随着Ag段长径比的减小, 相邻Ag段间耦合作用增强以及沿轴向方向的光传输距离增加；当减小Ag颗粒间距，相邻Ag段间耦合作用出现增强；适当增加颗粒间距对沿轴向方向的光传输距离影响不大，而当间距超过一定值时Ag段间耦合作用降低，导致沿轴向方向的光传输距离减小。通过上述相关研究，实现了的贵金属纳米颗粒链的可控制备，并实现了增益介质的引入，获得了颗粒链几何参数对光传输行为的影响规律，为进一步设计高传输性能纳米光波导结构提供了实验基础和科学依据。本项目研究达到了预期目标，通过本项目的实施，三年来发表SCI论文5篇，其中影响因子大于3的3篇，申请了4项专利，其中3项已授权。

内容获取失败，请点击重试