金屬微納結(jié)構(gòu)及其柔性光子、電子器件研究.pdf

1、微納結(jié)構(gòu)作為微納光子、電子器件的基礎(chǔ)組成部分，是目前微納米技術(shù)中的前沿和熱點(diǎn)。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(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)獨(dú)特的光學(xué)、電學(xué)特性。其中，光與金屬微納結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)在納米尺度表現(xiàn)出獨(dú)特的小尺寸效應(yīng):其熔點(diǎn)及燒結(jié)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(shí)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(jié)構(gòu)及其柔性器件的研究具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。
　　本論文的研究目的在于探索金屬微納結(jié)構(gòu)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(yīng)、小尺寸效應(yīng)等新特性和新效應(yīng)。同時，利用上述新穎效應(yīng)調(diào)控金屬微納結(jié)構(gòu)自身形貌及光、電學(xué)特性，探索新型金屬微納結(jié)構(gòu)的制備方法，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)基于新概念、新結(jié)構(gòu)、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(jié)構(gòu)的基本效應(yīng)，概述了微納結(jié)構(gòu)在制備技術(shù)和柔性集成技術(shù)等方面的發(fā)展情況。然后著重介紹了論文在金屬微納結(jié)構(gòu)光學(xué)、電學(xué)、機(jī)械性能的變化規(guī)律、調(diào)控機(jī)理等方面的理論和實(shí)驗(yàn)研究工作，同時介紹了在金屬微納結(jié)構(gòu)的柔性集成方法以及柔性光子、電子器件應(yīng)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(dǎo)結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)楔形兩側(cè)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(yīng)，探索了銀納米球及銀納米板結(jié)構(gòu)的近場耦合作用。其中，基于銀納米板的結(jié)構(gòu)相比銀納米球具有更顯著的近場增強(qiáng)及光熱效應(yīng)，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(chǔ)。
　　(2)提出了兩種柔性光傳輸結(jié)構(gòu)，即基于聚合物多層復(fù)合襯底的柔性光

5、波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，以及基于超薄金屬薄膜及聚合物波導(dǎo)的混合表面等離激元結(jié)構(gòu)。提出了聚合物多層復(fù)合襯底柔性光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，研究了聚合物多層復(fù)合襯底的光學(xué)、機(jī)械特性，實(shí)現(xiàn)了加速度傳感器靈敏度的調(diào)節(jié)。在此基礎(chǔ)上將超薄金屬薄膜引入柔性光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，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(dǎo)結(jié)構(gòu)中面外彎曲損耗，并可保持良好的單偏振特性，實(shí)現(xiàn)了能夠在小彎曲半徑下工作的柔性波導(dǎo)偏振器。上述研究為實(shí)現(xiàn)高性能的柔性光子器件提供了理論與實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
　　(

6、3)針對低維金屬納米結(jié)構(gòu)的局域表面等離激元共振、光熱效應(yīng)和小尺寸效應(yīng)展開研究，并應(yīng)用于柔性電子器件。研究了這些新穎效應(yīng)對納米結(jié)構(gòu)的組成、形貌、電學(xué)、機(jī)械等特性的影響，揭示了其內(nèi)在的物理機(jī)制。發(fā)現(xiàn)銀納米板層疊結(jié)構(gòu)可成倍提高電子封裝的剪切強(qiáng)度。發(fā)現(xiàn)銀納米板層疊結(jié)構(gòu)具有各向異性電導(dǎo)率特性。對將“熔點(diǎn)降低”效應(yīng)與表面等離激元光熱效應(yīng)結(jié)合的納米尺度局域燒結(jié)展開研究，并提出一種基于針管直寫-光熱燒結(jié)的柔性電子器件制備方法，可在表面特性復(fù)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(chǔ)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(fù)合結(jié)構(gòu)的原位光還原制備技術(shù)及其在紙基柔性超級電容方面的應(yīng)用開展研究。提出了利用激光直寫技術(shù)將二維金納米結(jié)構(gòu)薄膜引入還原氧化石墨烯(rGO)薄膜，實(shí)現(xiàn)具有rGO/Au二維復(fù)合結(jié)構(gòu)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