基本信息
- 项目名称：
- 基于碳纳米管薄膜的表面等离子体激元特性研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本文以麦克斯韦方程组和自由电子气模型(Drude)为出发点，在适当的边界条件下对表面等离子体的产生进行了研究，并得到色散关系、波长、传播长度等表达式。进而对碳纳米管薄膜光栅结构激发的SPPs进行仿真，所得结果与理论计算相吻合。最后研究了碳纳米管栅薄膜结构的几何参数对SPPs特性的影响。
- 详细介绍：
- 通过研究发现，碳纳米管栅薄膜结构激发的表面等离子体的中心频率1THz和传播长度295um、134um与理论值吻合。模型结构的栅格周期参数和衬底介电常数参数对中心频率的位置和高度有影响。在栅格周期为200um时，中心频率在0.85THz左右；在栅格周期为168um时，中心频率在1THz左右；在栅格周期为150um时，中心频率在1.15THz左右。而在衬底介电常数为6.08F/m时，中心频率在0.7THz左右；在衬底介电常数为3.18F/m时，中心频率在1THz左右；在衬底介电常数为2.08F/m时，中心频率在1.1THz左右。这些影响的规律与理论相符。模型结构的厚度参数和栅格长度参数对中心频率的高度有影响。其中栅格结构的厚度为40um厚时，中心频率的高度达到最高。中心频率高度随着栅格长度的增加而增加。这些研究对开发光电集成电路和传感器有重要的价值。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 目的是研究碳纳米管导体薄膜表面激发表面等离子波特性，这对未来开发等离子波传感器具有一定指导意义。基本思路：分别从麦克斯韦方程组、自由电子气模型的理论和模型的数值仿真两个角度研究表面等离子体的特性，并得到很好的吻合。
科学性、先进性及独特之处
- 以往报道的文献以传统金属为导体研究表面等离子波的特性，但是在THz波段，传统金属导体的等离子频率都位于可见光和红外波段，这对研究THz波段等离子波特性不利，而本文以碳纳米管作为导体材料研究导体与介质之间激发的表面等离子体，这是基于碳纳米管薄膜的等离子频率位于THz波段，更适合THz波段SPP的特性研究。其传播长度在微米量级，对开发光电集成电路和传感器有重要的价值。
应用价值和现实意义
- 1.利用表面等离子体对介质介电常数敏感的特性制作传感器。 2.表面等离子体具有局域分布的特性，而且其分布深度可小于波长量级，突破衍射极限，使得表面等离子体能够应用于制作亚波长量级的光电子、近场显微镜、曝光光源等等器件。 3.本文研究的SPPs是以碳纳米管薄膜作为载体，对于THz波段的SPPs的研究具有指导意义。
学术论文摘要
- 目前表面等离子体(SPPs)在传感技术、近场存储、LED效率、红外技术、非线性光学、生物光子学、显微术以及集成光路等领域有广阔的发展前景和应用价值。本文以麦克斯韦方程组和自由电子气模型(Drude)为出发点，在适当的边界条件下对表面等离子体的产生进行了研究，并得到色散关系、波长、传播长度等表达式。进而对碳纳米管薄膜光栅结构激发的SPPs进行仿真，所得结果与理论计算相吻合。最后研究了碳纳米管栅薄膜结构的几何参数对SPPs特性的影响。
获奖情况
- 1.该论文研究内容已经投稿到《物理学报》，审稿以结束，录用待发表。 2.另有后续研究结果投稿到海峡两岸无线电技术会议，于2011年7月在哈尔滨召开，会议为Ei检索。
鉴定结果
- 无 说明：投到物理学报的论文已经接收，有录用证明，发表时间在2011年10月。 投到2011年海峡两岸无线电会议论文已经录用。该会议论文被Ei检索。
参考文献
- 1.Stefan A.Maier, “PLASMONICS:FUNDAMENTALS AND APPLICATIONS” Centre for Photomics and Photonic Materials Department of Physics, University of Bath, UK 这本书前半部分先从表面等离子体的由来、多种激发方式、SPPs的成像、局域化、低频特性等基本原理展开研究。本书后半部分描述了SPPs在波导结构、薄膜小孔穿透、传感器、成像等领域的应用 2.Anatoly V. Zayats, Igor I. Smolyaninov and Alexei A. Maradudin, “Nano-optics of surface plasmon polaritons”, Physics Reports, vol. 408, pp.131-314, 2005 这篇文章研究了近场下的纳米尺寸结构激发的SPPs，实验和理论得到较好吻合。并对SPPs的散射、干扰、局域化等特点进行研究，最后提出了SPPs在纳米光子学、光电子技术、传感器等领域的应用。
同类课题研究水平概述
- “Plasmonics”一词最早于1999年第一次使用，加州理工学院 Harry Atwater教授的研究小组认为这一领域的研究将促进全新设备的问世，并于2000年将这一学科正式定义为“Plasmonics”。Harry Atwater教授将“plasmonics”定义为：一种可以将电磁波压缩到极小结构中，有望产生新一代超快计算机芯片和超灵敏分子探测器的技术。随着表面等离子体理论研究的深入以及各种结构的器件的成功制作，其在光学各领域应用具有巨大的潜力，尤其在一些经典光学长期不能解决的问题上，其中包括金属亚波长结构的增透效应在超分辨率纳米光刻、高密度数据存储近场光学等领域的应用大放光彩。近年来，随着扫描近场光学显微技术(Scanning Near．Field Optical MicroscopySNOM)的发展，使直接在材料表面观测表面等离子体激元成为可能，这极大促进了表面激元的研究。美国加州大学Berkeley分校的Xiang Zhang教授小组应用了Pendry在2000年提出的关于完美透镜的概念，使用365 nm的曝光波长．采用聚焦离子柬刻蚀技术在掩模上分别以传统成像技术与超透镜技术曝光刻出NANO的字样的图像。可见，采用传统方法的分辨率为320 nm，而激发了银的表面等离子激元代替普通曝光之后，分辨率提高了近4倍。 SPPs是两种界面附近存在的波，界面两侧的折射率分布对场的分布有很大影响，利用这一点可以进行传感。利用棱镜结构进行生物传感的技术已经得到极大的发展，目前市场上主要产品有瑞典Biocore AB公司生产的Biocore 3000等。而SPPs在光电子器件、光电子集成器件、太阳能电池和LED新能源效率等领域的研究都处于起步阶段。SPPs的新颖特性展现出了它广阔的发展空间。
