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光子微纳结构的制备、表征、模拟及应用研究

作　者: 石磊
导　师: 资剑
学　校: 复旦大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 光子微纳结构自组装表面等离子激元荧光发射化学传感器光电化学非晶光子结构
分类号: O482.3
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

光子微纳结构是当今光子学领域研究的重要方向,其主要的研究目的是通过对材料的结构设计实现对光传输、吸收和发射等方面性质的调控。尽管对光子微纳结构的研究和应用已经进行了有20多年的时间,但仍然有一些突出存在的问题和挑战,其集中表现在金属光子微纳结构中的光损耗问题,光子微纳结构对光电化学的影响问题,无序结构中光散射问题以及如何低成本的制备光子微纳结构等问题。本论文主要分六章针对光子微纳结构的制备、表征及应用问题展开研究和讨论。论文共由六章组成。第一章主要对光子微纳结构的性质和应用做一个简要的概述。第二章主要介绍了本篇论文中所涉及的结构制备方法、实验表征方法和理论模拟方法。第三、四章主要系统研究了平金属表面覆盖周期性单层聚苯乙烯小球阵列结构的光学性质以及其在荧光发射和化学物质传感器方面的应用。这种全新的结构可以同时支持具有高品质因子的表面等离子激元模式和波导模式。该结构为解决金属光子微纳结构中的光损耗问题提出了一种可行的方法。在荧光发射应用方面,实现了增强200倍以上的0度定向荧光发射。在化学物质传感器方面,我们不仅实现了原子尺度的分辨率同时也讨论了高灵敏度与局域光场分布的关系。第五章主要系统地研究了金属反球腔结构的光学和光电化学性质。我们发现金属反球腔结构具有可调的高吸收性质。在光电化学研究中,我们研究了该结构光催化亚硝酸根离子和氧气的还原过程,系统阐述了光电化学增强和光吸收增强的关系。在光电化学反应机理方面,我们讨论了表面化学修饰的重要性,观察了表面电荷随光照时间积累的效应。最后一章,我们首次利用鹦鹉羽毛模板制备出了具有近程序而无长程序的大孔双联通非晶光子结构材料。光学以及光谱分析表明了此种材料具有非虹彩的结构颜色特性。该结构颜色来源于各向同性的相干散射过程。这种仿生得到的材料将可能有助于我们深入研究光的散射过程和光子定域化的机理。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-8
第一章光子微纳结构简介  8-36
  1.1 光子晶体  9-17
  1.2 超构材料  17-21
  1.3 光子微纳结构的最新研究进展  21-30
    1.3.1 表面等离子激元  21-26
    1.3.2 隐身材料和转换光学  26-30
  1.4 光子微纳结构研究中存在的问题  30-31
  参考文献  31-36
第二章光子微纳结构的制备、表征与理论模拟方法  36-58
  2.1 制备方法  36-47
    2.1.1 胶体小球的自组装技术  36-42
    2.1.2 失蜡方法  42-47
  2.2 实验表征方法  47-51
    2.2.1 光谱测量系统  47-48
    2.2.2 近场光学显微镜系统  48-50
    2.2.3 波长分辨的光电效率测量系统  50-51
  2.3 理论分析方法  51-55
    2.3.1 多重散射(KKR)  51-53
    2.3.2 有限时域差分(FDTD)方法  53
    2.3.3 严格耦合模式分析(RCWA)方法  53-55
  参考文献  55-58
第三章平金属表面覆盖介质光栅结构的光学性质研究  58-76
  3.1 制备方法,表征手段以及数值模拟方法  59-60
  3.2 光学性质表征与讨论  60-65
  3.3 缺陷对结构光学性质的影响  65-72
  3.4 小结  72
  参考文献  72-76
第四章平金属表面覆盖介质光栅结构的应用研究  76-96
  4.1 光学体系内品质因子的定义及含义  76-78
  4.2 荧光分子的定向增强辐射  78-84
  4.3 高灵敏度的化学物质传感器  84-93
  4.4 小结  93
  参考文献  93-96
第五章金属微纳结构对光电化学过程的效应研究  96-112
  5.1 金属微结构的制备和光学性质分析  96-101
  5.2 金属微结构对光电化学性质的影响  101-109
    5.2.1 亚硝酸根离子的光电催化  101-103
    5.2.2 具有微结构的表面异质结构电极的氧还原过程  103-109
  5.3 总结  109
  参考文献  109-112
第六章非晶光子多孔结构的制备与性能表征  112-126
  6.1 SiO_2非晶光子多孔结构材料  113-119
  6.2 TiO_2非晶光子多孔结构材料  119-121
  6.3 光谱表征及分析  121-123
  6.4 小结  123
  参考文献  123-126
结语  126-128
发表论文及专利  128-130
致谢  130-133

光子微纳结构的制备、表征、模拟及应用研究

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