金屬微納結構及其柔性光子、電子器件研究.pdf

1、微納結構作為微納光子、電子器件的基礎組成部分，是目前微納米技術中的前沿和熱點。通過將各種性能迥異的材料在微納米的跨尺度范圍內(nèi)組合，能夠形成具有多層次，多維度的微納功能結構。這些結構特有的微觀形態(tài)和材料具有的微觀性能一起賦予了微納結構獨特的光學、電學特性。其中，光與金屬微納結構相互作用可產(chǎn)生表面等離激元，能夠?qū)崿F(xiàn)新概念的光傳輸、光局域和光加熱。同時，金屬微納結構在納米尺度表現(xiàn)出獨特的小尺寸效應:其熔點及燒結溫度均顯著降低，可在接近室溫的溫

2、度下形成良好的電連接;具有良好的柔韌性，為實現(xiàn)新型柔性光子、電子功能器件提供新途徑。這些新穎特性使得金屬微納結構及其柔性器件的研究具有重要的科學意義和應用價值。
　　本論文的研究目的在于探索金屬微納結構中包含的表面等離極化激元傳輸特性、局域表面等離激元光熱效應、小尺寸效應等新特性和新效應。同時，利用上述新穎效應調(diào)控金屬微納結構自身形貌及光、電學特性，探索新型金屬微納結構的制備方法，進而實現(xiàn)基于新概念、新結構、新工藝的光子、電子柔性

3、功能器件。
　　本論文首先介紹了金屬微納結構的基本效應，概述了微納結構在制備技術和柔性集成技術等方面的發(fā)展情況。然后著重介紹了論文在金屬微納結構光學、電學、機械性能的變化規(guī)律、調(diào)控機理等方面的理論和實驗研究工作，同時介紹了在金屬微納結構的柔性集成方法以及柔性光子、電子器件應用等方面的探索研究工作。
　　具體研究工作包括以下幾個方面:
　　(1)首先研究了表面等離激元的基本原理，包括可傳輸?shù)谋砻娴入x極化激元和局域表面等離

4、激元兩部分?；诒砻娴入x極化激元的傳輸特性提出了具有不對稱包層折射率的楔形金屬納米波導結構，發(fā)現(xiàn)楔形兩側不對稱折射率的引入可減小模式尺寸，增加傳播距離?；诰钟虮砻娴入x激元及其光熱效應，探索了銀納米球及銀納米板結構的近場耦合作用。其中，基于銀納米板的結構相比銀納米球具有更顯著的近場增強及光熱效應，可形成高度局域的可調(diào)諧納米熱源。上述研究為后續(xù)章節(jié)提供了理論基礎。
　　(2)提出了兩種柔性光傳輸結構，即基于聚合物多層復合襯底的柔性光

5、波導結構，以及基于超薄金屬薄膜及聚合物波導的混合表面等離激元結構。提出了聚合物多層復合襯底柔性光波導結構，研究了聚合物多層復合襯底的光學、機械特性，實現(xiàn)了加速度傳感器靈敏度的調(diào)節(jié)。在此基礎上將超薄金屬薄膜引入柔性光波導結構，發(fā)現(xiàn)了表面等離極化激元的單偏振特性可抑制聚合物矩形波導結構中面外彎曲損耗，并可保持良好的單偏振特性，實現(xiàn)了能夠在小彎曲半徑下工作的柔性波導偏振器。上述研究為實現(xiàn)高性能的柔性光子器件提供了理論與實驗基礎。
　　(

6、3)針對低維金屬納米結構的局域表面等離激元共振、光熱效應和小尺寸效應展開研究，并應用于柔性電子器件。研究了這些新穎效應對納米結構的組成、形貌、電學、機械等特性的影響，揭示了其內(nèi)在的物理機制。發(fā)現(xiàn)銀納米板層疊結構可成倍提高電子封裝的剪切強度。發(fā)現(xiàn)銀納米板層疊結構具有各向異性電導率特性。對將“熔點降低”效應與表面等離激元光熱效應結合的納米尺度局域燒結展開研究，并提出一種基于針管直寫-光熱燒結的柔性電子器件制備方法，可在表面特性復雜的紙質(zhì)襯底

7、上制備具有優(yōu)良彎曲特性的柔性電極。在此基礎上提出并展示了具有優(yōu)異彎折特性的新概念紙基觸摸傳感器，并建立了觸摸傳感的理論模型。
　　(4)針對二維金屬/石墨烯納米復合結構的原位光還原制備技術及其在紙基柔性超級電容方面的應用開展研究。提出了利用激光直寫技術將二維金納米結構薄膜引入還原氧化石墨烯(rGO)薄膜，實現(xiàn)具有rGO/Au二維復合結構的原位光還原制備。系統(tǒng)研究了氧化石墨烯/氯酸金(GO/HAuCl4)的光還原過程，包括rGO/A