金刚石表面等离激元纳米结构制备与光学特性研究

Diamond has been widely applied in the field of optics. How to improve its optical properties and performances of the devices are the key scientific issues to realize the practical applications of diamond. In this project, we would introduce surface plasmon (SP) nanostructures on diamond and investigate its resonant enhancements on the diamond’s fluorescence from the deep ultraviolet (UV) to the infrared emissions. The SP nanostructures are fabricated by depositing selected metal nanoparticles on high quality intrinsic single crystal diamonds and single/polycrystalline diamond films with various color centers. Based on the finite-difference time-domain (FDTD) simulations, and further taking into account the dielectric constant, size and shape of the metal nanoparticles and the micro-nano structured surface of diamond beneath, the intensity of localized electromagnetic fields near the metal nanoparticles/diamond are strongly increased, and thus enhance the band-band UV emission and the color center emissions. The diamonds with SP nanostructure would also be used as surface-enhanced Raman scattering (SERS) substrate for realizing efficient SERS excited under excitations with different wavelengths. The implementation of this project would provide new theoretical and experimental data for the future application of diamond in multiple research fields.

金刚石晶体在光学领域具有十分重要的应用价值，如何高效地提升其光学性质，并设计新型高性能光学器件，是金刚石迈向实际应用需要解决的关键科学问题。本项目拟在金刚石晶体引入表面等离激元纳米结构，研究表面等离激元共振对金刚石从深紫外到红外波段的发光增强作用。通过在所制备的高质量本征金刚石单晶及引入色心的金刚石单晶或多晶膜表面，有选择性地沉积不同种类金属纳米颗粒，设计和构筑特殊表面等离激元纳米结构；结合时域有限差分法计算分析，通过调制金属纳米颗粒的种类、介电常数、尺寸、形状，以及金刚石微纳米表面结构等因素，实现金属纳米颗粒-金刚石近场局域电磁场增强，使金刚石深紫外带间复合发光及不同色心的可见和红外发光获得共振增强；以金刚石表面等离激元纳米结构为基底，实现从深紫外到红外多波长激发的表面增强拉曼散射（SERS）。本项目的实施，将为拓展金刚石在多个研究领域的应用提供新的理论依据和实验数据。

本项目基于拓展金刚石在光学领域的新应用，深入系统地开展了金刚石表面等离激元纳米结构与表面增强拉曼散射（SERS，Surface-Enhanced Raman Scattering）基底特性的研究，在金刚石基局域表面等离激元共振（localized Surface Plasmon Resonance, LSPR) 及SERS的理论与实验方面，取得了创新性成果。. 首次利用硼掺杂金刚石（BDD）作为基底实现了半导体SERS增强，通过氢终端（H-）和氧终端（O-）修饰，调制其导带和价带能级结构，与探针分子的HOMO及LUMO能级匹配，在特定激光能量作用下，发生探针分子与BDD之间的电荷转移，实现金刚石基半导体SERS化学增强。对亚甲基蓝等探针分子，其SERS增强因子可达~10^5，远高于传统元素半导体（如硅、锗等）的增强因子（10-10^2），检测极限可达10^-7 M，同时具有稳定性高、重复性好、特异性、可清洗等优异特性，为半导体SERS基底材料家族增加了新成员。. 利用时域有限差分法（FDTD）模拟方法，通过调制金属纳米颗粒的种类、介电常数、尺寸、形状，以及金刚石微纳表面结构等参数，分析金属纳米颗粒/金刚石复合结构从紫外到红外波段的LSPR增强作用，理论上证明金属纳米颗粒/金刚石结构可实现近场局域电磁场增强。利用溅射镀膜等方法，在金刚石单晶表面沉积不同厚度的金、铂、铝金属纳米膜，并通过高温退火的方法，制备金属纳米颗粒/金刚石复合结构，通过调控膜沉积厚度、退火温度、退火时间等工艺参数，实现对纳米颗粒形貌和尺寸的调控。获得的金属纳米颗粒/金刚石复合结构具有SERS性能，为实验上探测从紫外到红外波段的LSPR增强提供了实验基础。. 制备金纳米颗粒/BDD复合结构SERS基底，实现了金纳米颗粒等离激元电磁场增强与BDD化学增强的协同作用。发展了多种在金刚石表面沉积金属纳米颗粒并增加金刚石表面粗糙度的方法，以利于提高金刚石基SERS基底的性能。通过探针分子的拉曼光谱检测，获得了更高的SERS增强效果。金属纳米颗粒/金刚石复合结构SERS基底具有高灵敏度、稳定性、可循环性、可重复性等优点。. 该项目的完成，为拓展金刚石基微纳光子学、SERS芯片等多领域应用提供了重要的理论依据和实验数据。