摘要
超材料是典型的人工电磁材料，具有负折射率、超透镜和电磁隐身等天然材料所无法实现的超常电磁特性。其性质主要取决于材料结构的几何形态、尺寸和排列方式，通过设计这些结构单元及其排列方式，可以根据应用需求很好地调控超材料的介电常数和磁导率。近年来，不少研究者发现金属-绝缘体-金属(Metal-Insulator-Metal,MIM)型超材料通常表现出更加优异的表面特性，在电磁吸收、传感、生物医学等领域具有广泛的应用前景。因此，研发一种操作简便、大面积且低成本的MIM型超材料加工制造方法是促进和增强其实际应用的必要前提。本论文以微球自组装技术为基础，设计并快速地制备出多种MIM型超材料并将其应用于表面增强拉曼光谱(Surface-enhanced Raman scattering,SERS)、电磁吸收及结构滤色器领域。 本文的主要研究内容如下: 1.使用微球刻印技术(Nanosphere Lithography,NSL)和电子束旋转斜角沉积方法制备了基于空心银三角形阵列的MIM型SERS基底。该MIM型基底由反射Ag膜、SiO2介质层和位于顶层的空心银三角形阵列组成。实验测得该SERS基底的平均增强因子(EFs)高达1.84×108,对罗丹明6G(R6G)分子具有10-15M的超低检测极限。利用时域有限差分(Finite-Difference Time-Domain,FDTD)法对空心银三角形阵列进行数值模拟，结果显示，这种纳米结构的显著SERS增强性能是源于高密度的热点和MIM结构耦合效应引起的电磁场增强。利用这种方法制备出的SERS基底在有效面积内是高度均匀的，在1365 cm-1、1511 cm-1和1652 cm-1处特征峰的相对标准偏差(RSD)均小于13％。实验与理论分析结果均表明，该基底具有制备工艺简单、成本低、灵敏度高等优点，在SERS检测领域具有广泛的应用前景。 2.提出了一种准三维的MIM型电磁吸收器，与二维超表面吸收器相比,该电磁吸收器具有更强的近场和远场电磁操控能力。该MIM型吸收器由底部反射金属钨膜、PS微球阵列和顶层的钨金属球壳组成，且利用微球自组装技术可实现高均匀度的大面积超表面的制备。通过合理优化结构参数，可以很好地控制远场和近场电磁响应。实验结果表明，在400-1200nm范围内可实现超过91％的宽带吸收率，并且在60°入射角激发时吸收率依然可以保持在80％以上。所提出的准三维MIM型吸收器在传感、太阳能电池、光子检测等方面具有极大的应用潜力。 3.提出了一种利用微球自组装技术制备的准三维的MIM型滤色器，该MIM型滤色器由底部反射金属膜、不同占空比的PS微球阵列和顶层的金属球壳组成。通过合理选择材料和优化结构参数，可以实现多种颜色显示。测量每种MIM型结构滤色器在可见光范围内的反射光谱，并将反射率数据输入CIE 1931软件计算得到相应的结构颜色。然后，使用商业相机在D65光源照明下拍摄相应11个尺寸为1英寸样品的实际颜色照片。理论计算与实验测试对比结果显示，所提出的结构滤色器可实现原色红、绿、蓝覆盖(RGB),有望在发光二极管、产品识别、防伪和艺术等方面发挥重要作用。
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