超薄金属薄膜及其微纳结构的可控制备与光学特性

利用光波与金属表面自由电子作用所产生的表面等离子体激元(SPP)是解决光电集成尺寸失配的有效途径。该领域理论模拟先行，而超薄金属材料和亚波长微纳结构的制备及相应光学现象规律性的实验研究尚不足。本项目旨在研究超薄金属及其微纳结构在反射、吸收和透射方面的特殊光学性质的问题。首先建立超薄超平整表面金属薄膜和周期性亚波长纳米结构以及多层金属/介质周期性薄膜（特异材料）的可控制备方法；其次系统地研究并揭示Au、Ag和Al超薄金属薄膜材料/结构层面的相关参数与光学参数、能带结构之间的关系。从实验测量和理论模拟两方面来阐明基于超薄金属的薄膜、微纳结构和特异材料的表面等离子体物理机制，为SPP增强型器件的应用研究（如太阳能电池和LED等）提供理论支撑，为解决光电器件集成的工艺和兼容问题提供技术思路。

利用光波与金属表面自由电子作用所产生的表面等离子体激元(SPP)是解决光电集成尺寸失配的有效途径。该领域理论模拟先行，而超薄金属材料和亚波长微纳结构的制备及相应光学现象规律性的实验研究尚不足。本项目旨在研究超薄金属及其微纳结构在反射、吸收和透射方面的特殊光学性质的问题。. 在课题执行中，我们研究和分析了Au, Ag的厚度、表面粗糙度和Ag的表面氧化引入的效应与有效折射率n和消光系数k之间的关联；带有纳米结构的金属表面的色散特性以及结构参数对于表面等离子体色散曲线的影响，讨论了Au, Ag超薄膜结构支持的SPP模式的光学特性，从色散特性的变化趋势以及表面波的模式分布来揭示其物理机制。我们还对Au-Ag合金组分对SPR现象调制的研究提供了一种不用图形化即可实现调制的思路，并加以了验证。. 我们实现了剥离法对薄膜表面平整度的改善；通过努力尝试采取了纳米压印的办法实现孔阵的制备，并能精确确定周期尺寸；另一方面，我们通过控制退火条件实现了Ag薄膜的可控团聚，这种非周期性点阵的实现能有效提高金属/介质界面对光子的束缚，比起周期性结构而言，成本更低。. 我们用分光光度计法结合Forouhi-Bloomer方程拟合，测定较宽频段(190nm-1000nm)超薄金属膜的n和k，验证了超薄膜的光学参数折射率和消光系数与体材料不同，对SPP模拟的结果存在明显的影响，为此类研究的推进提供了重要的依据。. 我们分别在Si和玻璃衬底上交替镀Ag和Ge的周期性多层膜结构，以观察其由SPP效应导致的各向异性的光学参数；我们还将研究范围拓展至金属薄膜/介质薄膜/半导体超薄膜的多层膜结构。通过精确调制介质薄膜的厚度实现了波长可选的超吸收, 解决了长期以来一直存在着半导体材料的厚度与光吸收的两难选择关于这项工作的论文已经被Advanced Materials 接收。. 三年来，共发表SCI论文7篇，申请国家发明专利2项，参加国际会议1次，培养硕士4人，博士2人。完成了预期成果。