材料物理報(bào)告納米光子學(xué)ppt課件

1、納米光子學(xué)Nanophotonics）材料物理 課程報(bào)告1什么是納米光子學(xué)？The study of the behavior of light or optics on the nanometer scale. The interaction of light with particles or substances, at deeply subwavelength length scales. 身邊的納米光子學(xué)身邊的納米光子學(xué)Nanotechnology in Roman Times: The Lycurgus CupPlasmons of gold nanoparticles in gl

2、ass reflect green, transmit red.Copyright：Pro. Qiu ,Physics department of Southeast University 2Iridescent colors on butterfly wings are due to Photonic-Crystals. i.e. Stacks of Nanoscale Gratings納米光子學(xué)的研究領(lǐng)域納米光子學(xué)的研究領(lǐng)域Nanoscale confinement of matter: Control of optical resonance, local interactions, e

3、xcitation dynamics and energy transfer 等離子激原光子學(xué)等離子激原光子學(xué)Plasmonics）e.g. 表面增強(qiáng)拉曼散射表面增強(qiáng)拉曼散射 (Surface-enhanced Raman Spetroscopy)表面增強(qiáng)熒光表面增強(qiáng)熒光 (Surface-enhanced Fluorescence) 拉曼顯微分析儀和熒光光譜儀3Nonocsale photoprocessesControl of spatial confinement of photochemical and photophysical processes納米制備納米制備 Nanofabri

4、cation納米光子器件納米光子器件 Nanoscale device and nanosensors納米光子學(xué)的研究領(lǐng)域納米光子學(xué)的研究領(lǐng)域4Nanoscale confinement of radiation Control of propagation properties of radiation and its interaction with matter近場光學(xué)顯微鏡近場光學(xué)顯微鏡 (Near field optical microscopy) 掃描隧道顯微鏡掃描隧道顯微鏡 (Photon scanning tunneling microscopy)納米光子學(xué)的研究領(lǐng)域納米光子學(xué)

5、的研究領(lǐng)域5等離子體光學(xué)等離子體光學(xué)PlasmonicsPlasmonics）Surface Plasmons金屬表面的空穴，束縛空氣中的電子，形成等離子體等離子電場，受表面納米形態(tài)控制，形成局域性電場 6表面等離子激原的性質(zhì)n在垂直于界面的方向場強(qiáng)呈指數(shù)衰減; n 作用區(qū)間有限，電場強(qiáng)度與界面距離密切相關(guān)n能夠突破衍射極限n 制作近場顯微鏡的前提條件n具有很強(qiáng)的局域場增強(qiáng)效應(yīng) (Hot Spots)n 導(dǎo)致了表面增強(qiáng)拉曼和表面增強(qiáng)熒光科學(xué)的誕生7等離子體光學(xué)的發(fā)展與應(yīng)用Plasmonicsn“Plasmonics一詞最早由斯坦福大學(xué)的Mark L. Brongersma 教授于提出，加州理工

6、學(xué)院Harry A. Atwater 教授認(rèn)為這一領(lǐng)域的研究將促進(jìn)全新類型設(shè)備的問世，于2000 年將這一新興學(xué)科正式命名“plasmonics”。Mark L.BrongersmaHarry A.Atwater8運(yùn)用：表面等離子體光波導(dǎo)運(yùn)用：表面等離子體光波導(dǎo) （Surface-plasmon waveguides)表面等離子激元在導(dǎo)體和絕緣體的界面上傳播，而在垂表面等離子激元在導(dǎo)體和絕緣體的界面上傳播，而在垂直于表面的方向，其強(qiáng)度隨它離表面的距離呈指數(shù)減直于表面的方向，其強(qiáng)度隨它離表面的距離呈指數(shù)減小。小。等離子體光學(xué)的發(fā)展與應(yīng)用Waveguides9運(yùn)用：非線性光學(xué)運(yùn)用：非線性光學(xué)non

7、linear optics） 表面等離子激元將光的能量聚表面等離子激元將光的能量聚集引起電場強(qiáng)度的增強(qiáng)集引起電場強(qiáng)度的增強(qiáng)Hot spots產(chǎn)生非線性現(xiàn)象產(chǎn)生非線性現(xiàn)象e.g. 納米光學(xué)開關(guān)納米光學(xué)開關(guān) nano-optical switch 等離子體光學(xué)的發(fā)展與應(yīng)用Nonlinear OpticsTips：什么是非線性光學(xué)？介質(zhì)折射率隨入射光強(qiáng)發(fā)生變化！可以應(yīng)用于光學(xué)倍頻，激光器Schematic of nano-optical switch10運(yùn)用：光子晶體運(yùn)用：光子晶體 (photonic crystal) & 左手材料左手材料 （Left-handed material)折射率

8、周期性變化的絕緣材料折射率周期性變化的絕緣材料 控制光子運(yùn)動(dòng)控制光子運(yùn)動(dòng)等離子體光學(xué)的發(fā)展與應(yīng)用Photonic crystal三維左手特異性材料微波人造黑洞11n東南大學(xué)毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 崔鐵軍教授合作研制成功“隱身衣”，獨(dú)立制作出可吸收微波頻段的“黑洞”。n彈性散射和非彈性散射. n與原入射光頻率相同：瑞利散射n少量的比激發(fā)光波短，比激發(fā)光波長的成分, 這種現(xiàn)象稱為拉曼效應(yīng)Raman and Fluorescence12Raman Spectrum光穿過透明介質(zhì)被分子散射的光發(fā)生頻率變化，這一現(xiàn)象稱為拉曼散射nRaman SpectrumnStriking the sample, th

9、e laser beam can give energy to the molecules that start to vibrate. In the same way, the photons can subtract a part of the vibrational energy of the molecules. So, it is possible to unambiguously identify the studied molecules.拉曼譜線的數(shù)目，位移的大小，譜線的長度與分子振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)有關(guān)。Raman and Fluorescence13n4.有色樣品可能吸收激光能量

10、燒損Raman and Fluorescence14Brief principles of fluorescenceRaman and Fluorescence15熒光磷光能態(tài)機(jī)制激發(fā)單態(tài)基態(tài)三重激發(fā)態(tài)基態(tài)發(fā)射速率發(fā)射快 emission rate 108/s發(fā)射慢 emission rate 100-103/s時(shí)間尺度 timescale時(shí)間尺度短 lifetime 10納秒量級(jí)時(shí)間尺度長 lifetime 毫秒秒量級(jí)自旋狀態(tài)激發(fā)態(tài)與基態(tài)相反 spin allowed激發(fā)態(tài)與基態(tài)相同 not allowedComparison of fluorescence and phosphoresce

11、nceRaman and Fluorescence16n作為工具： 熒光光譜分析n 時(shí)間分辨熒光測定n流式細(xì)胞術(shù)flow cytometry)n藥物檢測medical diagnostics）nDNA測序 （DNA sequencing）n遺傳分析genetic analysis）Raman and Fluorescence17n重點(diǎn)研究領(lǐng)域：熒光成像 圖：細(xì)胞中的DNA與蛋白質(zhì)表達(dá)模型用熒光觀察、檢測細(xì)胞中的單個(gè)DNA或蛋白質(zhì)分子，甚至對(duì)其進(jìn)行控制Raman and Fluorescence18Comparison of Raman and FluorescenceRaman and Flu

12、orescence19n減弱拉曼信號(hào)中的熒光干擾減弱拉曼信號(hào)中的熒光干擾n采用能量小于分子第一激發(fā)態(tài)與基態(tài)的差值的光子照射采用能量小于分子第一激發(fā)態(tài)與基態(tài)的差值的光子照射樣品，減少熒光發(fā)生。樣品，減少熒光發(fā)生。n匹配入射光波，使之達(dá)到拉曼共振，增強(qiáng)拉曼信號(hào)。匹配入射光波，使之達(dá)到拉曼共振，增強(qiáng)拉曼信號(hào)。n加熒光淬滅劑，如溴化合物、碘化合物、硝基化合物及加熒光淬滅劑，如溴化合物、碘化合物、硝基化合物及其衍生物。其衍生物。n根據(jù)兩者壽命不同進(jìn)行信號(hào)分離。根據(jù)兩者壽命不同進(jìn)行信號(hào)分離。Raman and Fluorescence20nRaman intensity lines are 0.001%

13、(at most) of the source intensity. Fluorescence are too weak to observe nThe intensity can be increased by 103 106 orders of magnitude if the sample is adsorbed on the surface of colloidal metal particles.nSurface Enhanced Raman Scattering (SERS) and Surface Enhanced Fluorescence (SEF)21Raman and Fl

14、uorescencenSubstrates commonly usednSilver (Ag), gold (Au) and copper (Cu)nThe energy required to generate plasmons matches the light sourcesnSurface preparationsnLargest enhancements for rough surfaces of 10 100 nmSurface-enhanced Spectroscopy22Surface-Enhanced SpectroscopynHigh sensitivitynSpecifi

15、citynValuable tool for analyzing mixturesnMany applicationsbiochemistry, chemical manufacturing, environmental detection, forensics.23Advantages of fluorescence1、靈敏度更高 單分子2、成本低廉 固有熒光3、處理工藝簡單Part 2:Nanofabrication: Solution-based methodn液相反應(yīng)法液相反應(yīng)法 Solution-based methodn使用均相溶液，在液體中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)使用均相溶液，在液體中發(fā)生化

16、學(xué)反應(yīng)n生成所需要的溶質(zhì)生成所需要的溶質(zhì)n溶質(zhì)和溶劑分離，溶質(zhì)形成一定形狀和大小的溶質(zhì)和溶劑分離，溶質(zhì)形成一定形狀和大小的顆粒，得到所需粉末的前驅(qū)體顆粒，得到所需粉末的前驅(qū)體n熱解或干燥后得到納米材料熱解或干燥后得到納米材料24n優(yōu)勢：設(shè)備簡單、原料容易獲得、純度高、均勻性好、化學(xué)組成控制準(zhǔn)確n運(yùn)用：主要用于氧化物系納米顆粒和納米線的制備。n方法：n沉淀法 水解法n水熱法 噴霧法n微乳液法 溶膠-凝膠法Nanofabrication: Solution-based method25可溶性鹽溶液：包含一種或多種離子加入沉淀劑，(如OH-，CO32-等) 形成不溶物析出除去溶劑和其他可溶性物質(zhì)脫水

17、即得到納米顆粒(A) (A) 沉淀法沉淀法 precipitation method precipitation methodNanofabrication: Solution-based method26(B)(B)溶膠溶膠- -凝膠法凝膠法 (sol-gel method) (sol-gel method)膠體膠體colloidcolloid）: 1-100nm: 1-100nm粒子的分散體系，粒粒子的分散體系，粒子的重力可以忽略子的重力可以忽略 （淀粉糊）（淀粉糊） 溶膠溶膠SolSol）：形成固體）：形成固體- -液體的膠體體系液體的膠體體系凝膠凝膠GelGel）：溶膠失去平衡，分散的

18、納米顆）：溶膠失去平衡，分散的納米顆粒發(fā)生聚集成為網(wǎng)絡(luò)狀的聚集體。粒發(fā)生聚集成為網(wǎng)絡(luò)狀的聚集體。例：豆腐 （蛋白質(zhì)與水的凝膠）豆?jié){：蛋白質(zhì)膠體加鹵水：用鹽鹵或石膏等破壞雙電層結(jié)構(gòu)，使豆?jié){蛋白質(zhì)膠體凝聚27Nanofabrication: Solution-based method溶膠溶膠- -凝膠法優(yōu)點(diǎn)凝膠法優(yōu)點(diǎn)(i)(i)化學(xué)均勻性好：膠粒間化學(xué)成分完全一致?；瘜W(xué)均勻性好：膠粒間化學(xué)成分完全一致。(ii)(ii)高純度：高純度：(iii)(iii)顆粒細(xì)：膠粒尺寸小于顆粒細(xì)：膠粒尺寸小于0.1um0.1um。 *Nanofabrication: Solution-based method28

19、type Atype Btype CSubstrate不同尺寸球體組成的多層不同尺寸球體組成的多層結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)-超晶格超晶格利用表面活性劑：兩親性分子， 一端為親水性，一端親油性 e.g. 肥皂：硬脂酸鈉，C17H35COONa 疏水端親水端水包油膠團(tuán)油包水膠團(tuán)水油29（C C微乳法微乳法 microemulsion microemulsion傳統(tǒng)洗滌劑：肥皂、洗衣粉和液體洗滌劑Nanofabrication: Solution-based method 微乳法制備納米粒子包含反應(yīng)物的微乳液混合，兩種微乳液滴交換成分并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成需要材料的微乳液微乳液A+微乳液B微乳液C烘干或熱解除去表面活

20、性劑納米材料ZrO2顆粒氧化鋯）30Nanofabrication: Solution-based method化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積利用氣態(tài)的反應(yīng)物，通過原子或分子間的化學(xué)利用氣態(tài)的反應(yīng)物，通過原子或分子間的化學(xué)反應(yīng)的途徑在襯底上生成薄膜、納米線或顆粒。反應(yīng)的途徑在襯底上生成薄膜、納米線或顆粒。優(yōu)勢：制模，如介電材料、導(dǎo)體或半導(dǎo)體等薄優(yōu)勢：制模，如介電材料、導(dǎo)體或半導(dǎo)體等薄膜材料膜材料31供氣系統(tǒng)生長腔排氣系統(tǒng)生長腔需供能完成反應(yīng)，供能方式：加熱、等離子放電、紫外光照射、激光照射。常用CVD技術(shù)：熱管爐化學(xué)氣相沉積HWCVD）熱絲化學(xué)氣相沈積HFCVD） 等離子體輔助化學(xué)氣相沈積PECVD

21、）金屬有機(jī)化學(xué)氣相沈積MOCVD）激光誘導(dǎo)CVD電子束誘導(dǎo)CVDNanofabrication: CVD32Application of Nanofabrication: nano-devices e.g. Porous siliconThe main limitation to using silicon as a light source is related to its indirect bandgap structure, which implies low radiative recombination efficiency due to the need of the assis

22、tance of a phonon to fulfill momentum conservation.光致發(fā)光過程：首先是光吸收過程，激發(fā)產(chǎn)生電子一空穴等非平衡載流子；其次是非平衡載流子的輸運(yùn)和電子一空穴對(duì)的復(fù)合過程；第三是輻射復(fù)合產(chǎn)生的光子在樣品中傳播并發(fā)射的過程。通過對(duì)光致發(fā)光光譜的研究可以了解材料的許多性質(zhì)，如電子帶隙結(jié)構(gòu)、電子一聲子的耦合、雜質(zhì)中心和缺陷特性等。33Application of Nanofabrication: nano-devices e.g. Porous silicon90年代，多孔硅的出現(xiàn)，使得硅材料發(fā)光成為可能，也成為了科研領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)多孔硅的發(fā)光與孔度有關(guān)

23、低孔度無熒光;孔度60 ，近紅外區(qū)出現(xiàn)熒光；孔度70，熒光進(jìn)入可見光區(qū)；孔度80 ，進(jìn)入橙光段。而且其發(fā)光的強(qiáng)度也與孔隙率有關(guān)，提高孔隙率是提高多孔硅發(fā)光強(qiáng)度的必要條件。34Multicolor photoluminescence from porous siliconAdv. Mater. 18,51 (2019)多孔硅的光學(xué)性質(zhì)多孔硅的光學(xué)性質(zhì)間接帶隙的單晶硅只能發(fā)射間接帶隙的單晶硅只能發(fā)射微弱的紅外光，而經(jīng)過陽極微弱的紅外光，而經(jīng)過陽極化處理后得到的多孔硅卻能化處理后得到的多孔硅卻能發(fā)射較強(qiáng)的近紅外、可見和發(fā)射較強(qiáng)的近紅外、可見和近紫外光近紫外光.Application of Nanof

24、abrication: nano-devices e.g. Porous silicon35多孔硅的應(yīng)用研究三個(gè)方向：光電子器件、光學(xué)器件和傳感器件。傳輸速率比電子高幾個(gè)數(shù)量級(jí)的光子引入技術(shù)相當(dāng)成熟的集成電路，從而實(shí)現(xiàn)光電子集成，這是最吸引人的方面， 除此之外，發(fā)光二極管、激光二極管的研究也是正在做的工作。2019年，Hirschman等人報(bào)道了將多孔硅發(fā)光器件與硅基微電子器件集成在一塊芯片上的研究進(jìn)展，這是利用多孔硅實(shí)現(xiàn)光電子集成的首例實(shí)驗(yàn)，其意義在于明確地表明在技術(shù)上多孔硅的光電子集成是可行的Application of Nanofabrication: nano-devices e.g.

25、 Porous silicon36從光發(fā)射到光吸收：新一代太陽能電池多孔硅在光伏器件上的應(yīng)用早在1982年已有報(bào)道。電化學(xué)方法作薄多孔硅層。在500800nm 范圍內(nèi)反射率從原來的37降至8現(xiàn)今研究集中在多孔硅電學(xué)性質(zhì)的變化與多孔硅的制作條件、厚度、孔隙率等的關(guān)系?，F(xiàn)研究表明多孔硅的光學(xué)性能隨孔隙率的增加而提高。Application of Nanofabrication: nano-devices e.g. Porous siliconn太陽能電池太陽能電池 (Solar cells): devices which convert solar light energy directly in

26、to electricityn referred to as the photovoltaic effect(光電效光電效應(yīng)）應(yīng)）nSemiconductor Dopingn change the electrical properties of the pure SemiconductornSilicon with P dopant : n-typen(extra valence electrons are added)nSilicon with B dopant = p-typen(missing fourth valence electron, holes)n Application o

27、f Nanofabrication: nano-devices e.g. Porous silicon37Hole is the “empty space” left behind as a result of the movement of the free electron. Holes have + charge. Schematic of photovoltaic effect and solar cell 38Application of Nanofabrication: nano-devices e.g. Porous silicon. The Process39Light bre

28、aks silicon bonds and creates “free” electrons and holes Built-in field separates electrons and holesApplication of Nanofabrication: nano-devices e.g. Porous siliconConversion: the biggest problem of Solar cell Loss Processes in a Standard Solar Cell Nonabsorption of below bandgap photons (20%) Latt

29、ice thermalization Loss （晶格散射）（晶格散射） (40%) Junction loss Contact voltage loss Recombination loss (2%, unavoidable)40Application of Nanofabrication: nano-devices e.g. Porous siliconSolution: nano silicon thin filmn1. 比非晶硅薄膜更寬廣的光能隙(1.2-2.4eV)，吸收范圍更寬，有利于提高電池的效率孔多雜質(zhì)吸附）n2. 具有比非晶硅薄膜高的吸收系數(shù)和高出數(shù)百倍的電子遷移率，對(duì)光生載流子具有更高的收集效率，能產(chǎn)生更高的短路光電流。Appl. Phys. Lett. 94, 242105 (2021)41J. Appl. Phys. 97 024305