论文部分内容阅读
贵金属纳米薄膜具有不同于体材料的光学特性,且与膜厚相关,是微纳光电传感器和光子器件的结构基础。为了预测光子器件的性能,需要掌握准确的贵金属纳米薄膜的光学特性参数,即介电常数的色散特性和厚度相关性。但是用于描述贵金属介电常数的经典Drude模型或Lorentz-Drude(L-D)模型,以及实验数据在可见-近红外光谱区不匹配,而常用的透射-反射法在测量介电常数时会引入较大的介电常数虚部误差。本文针对以上问题,以可见-近红外光谱区具有极高灵敏度的表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)效应为基础,理论分析并实验测量贵金属纳米薄膜的介电常数的色散特性;为了进一步探究贵金属纳米薄膜介电常数受薄膜厚度的影响,结合椭偏仪测量了多厚度薄膜的介电常数。论文的主要工作和创新点包括:从激发SPR的波矢匹配原理出发,建立了介电常数和纳米薄膜厚度的传感模型。对SPR薄膜测量性能中的波长、膜厚和棱镜材料等可变参量做仿真分析,讨论了各变量对SPR测量性能的影响,最后仿真分析了相位调制中具有高灵敏度响应的膜厚范围。传感模型和参数仿真为贵金属纳米薄膜介电常数和厚度的测量提供了理论依据,使实验中的膜厚范围等不确定条件更准确。基于SPR的贵金属薄膜在可见-近红外光谱区域内的介电常数精确测量实验。首先为了保证样品的一致性,建立标准的磁控溅射法制备贵金属纳米薄膜的流程,制备多厚度的贵金属纳米薄膜。利用超连续谱光源和高精度电动旋转位移台等关键仪器搭建角度调制SPR系统,测量了厚度为35nm、45nm和55nm的金膜和银膜的介电常数,并以椭偏仪的测量作为参考。不同方法的结果对比表明:SPR测量获得的可见-近红外光谱区内金膜和银膜的介电常数,大大减小了虚部的数据误差,得到了新的较为完整的可见-近红外光谱区介电常数曲线。利用SPR系统和椭偏仪进行了多厚度贵金属纳米薄膜的介电常数测量实验,得到缺乏结果的超薄贵金属薄膜介电常数数据。结合贵金属薄膜的电子弛豫时间理论,预测了介电常数实部和虚部都将随厚度减小而增大。5~55nm的超薄贵金属薄膜介电常数的测量结果证明了预测趋势的正确性。研究结果还表明:薄膜的折射率随厚度减小而增大,但消光系数会随着厚度的减小共同减小。