热致相变调控二氧化钒基金纳米颗粒局域表面等离子体共振特性研究

金纳米颗粒局域表面等离子体共振具有对环境介电常数变化非常敏感的特性，调控环境介电常数改变共振波长是波长型局域表面等离子共振传感器领域提高传感器灵敏度的重要方法。本项目提出设计一种新型金和二氧化钒(VO2)纳米颗粒复合阵列结构，利用VO2纳米颗粒的介电常数突变特性和共振特性对金纳米颗粒局域表面等离子体共振特性进行提高共振波长偏移量的调控研究，对所涉及的VO2相变材料及其纳米结构的制备、金和VO2纳米颗粒复合阵列结构的共振耦合机理和VO2纳米颗粒在复合共振结构中的相变特性进行研究，获得VO2纳米颗粒阵列对金纳米颗粒局域表面等离子体共振特性的调控规律，提高波长偏移型局域表面等离子体共振传感器的灵敏度。同时，课题的开展将有助于进一步拓展其在温度相关共振传感器件中的应用。

本项目通过热激发过程中二氧化钒（VO2）的相变特性对金纳米颗粒的局域表面等离子体共振（LSPR）特性进行调控，研究了VO2纳米颗粒相变特性对金纳米颗粒局域共振特性的影响规律，研究内容涉及到VO2纳米材料的制备与相变特性的优化，纳米阵列结构的设计与制作，以及阵列结构中相变特性对金纳米颗粒局域共振特性的影响规律。. 目前已获得了以下实验结果。首先利用磁控反应溅射附加快速热氧化处理的方法制备了VO2纳米薄膜，获得了溅射条件对氧化钒薄膜成分与结构的影响规律；快速热处理条件对氧化钒颗粒纳米颗粒成分和结晶结构、尺寸和形状的影响进行了研究；对制备工艺条件进行了优化，VO2的相变幅度超过3个量级；在这一基础上，进一步改进了VO2的制备工艺，采用了原位溅射金属钒薄膜附加快速热氧化处理的方式进行了制备研究，并将金属钒薄膜制备在了金纳米颗粒和二氧化硅球纳米颗粒阵列的基底上，实验结果发现，快速热处理条件下，金属钒纳米颗粒经过氧化后产生膨胀，但是保持了其原有的颗粒形状，获得了快速热处理条件对氧化钒纳米颗粒成分和结晶结构、晶粒尺寸与形状的影响规律，相变幅度也超过3个量级，并且对光透射率起到了明显的开关效应。. 在纳米材料制备的基础上进行了纳米颗粒阵列结构的制作，采用电子束刻蚀（EBL）和聚焦离子束刻蚀的方法进行了金纳米颗粒阵列和钒金属纳米颗粒阵列的制作，对阵列中颗粒的尺寸和颗粒间的距离进行了优化，成功的获得纳米颗粒阵列结构，采用钒金属快速热氧化处理工艺获得二氧化钒纳米颗粒阵列结构；采用提拉镀膜装置成功的制备出二氧化硅球纳米颗粒阵列，采用反剥技术获得了纳米颗粒复合阵列。. 采用可见-近红外光谱测试系统对纳米颗粒阵列的光学性能进行测试，获得了纳米颗粒阵列的局域表面等离子体共振特性，获得了不同温度下，复合结构的共振特性，并利用FDTD Solution软件对纳米颗粒的共振特性进行了模拟，获得了热激发过程中，二氧化钒相变特性对金纳米颗粒共振特性的调控规律。同时，围绕着纳米颗粒的相变特性，开展了纳米颗粒相变机理的研究，获得了纳米颗粒能带宽度与氧空位之间的影响规律。. 实验结果将有助于提高波长偏移型局域表面等离子体共振传感器的灵敏度。同时，课题的开展将有助于进一步拓展其在温度相关共振传感器件中的应用。