▍導(dǎo)讀

圖1：《光學(xué)精密工程》2023年第14期封面

金屬材料近年來表現(xiàn)出很強(qiáng)的等離子體共振效應(yīng)，Al納米材料被認(rèn)為是紫外波段中最有前景的等離子體材料之一。研究表明，Al納米粒子的局域表面等離子體共振的強(qiáng)度隨入射光能量的增加而提高，使其具有優(yōu)異的紫外吸收特性。另外，Al材料價格低廉且易于產(chǎn)業(yè)化，Al納米結(jié)構(gòu)的天然氧化層可作為熒光增強(qiáng)絕緣層避免熒光猝滅以及調(diào)整局域表面等離子體共振吸收峰的位置，在紫外波段背光顯示領(lǐng)域表現(xiàn)出獨(dú)特的價值。

現(xiàn)有報道的周期性Al納米陣列主要以硅和金屬材料為襯底來實(shí)現(xiàn)熒光和偏振調(diào)制。背光領(lǐng)域通常采用透明襯底，而石英襯底具有高透紫外光譜性能以及優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性，在紫外透明石英襯底上設(shè)計與制備金屬微納結(jié)構(gòu)就顯得尤為重要。半導(dǎo)體量子點(diǎn)因其量子產(chǎn)率高、穩(wěn)定性好、波長可控等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于發(fā)光器件、光電顯示等領(lǐng)域。因此，能夠借助紫外透明的Al納米陣列結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)薄膜發(fā)光增強(qiáng)，就能夠降低器件中的損耗和提升亮度，對背光顯示領(lǐng)域具有重要價值。

針對這一應(yīng)用需求，長春理工大學(xué)的王子恒等在《光學(xué) 精密工程》（EI、Scopus，中文核心期刊，《儀器儀表領(lǐng)域高質(zhì)量科技期刊分級目錄》和《光學(xué)和光學(xué)工程領(lǐng)域高質(zhì)量科技期刊分級目錄》“T1級”期刊）上發(fā)表了題為“石英上Al納米陣列的制備及熒光增強(qiáng)性能”的封面文章。

▍AI納米陣列結(jié)構(gòu)

在本文中，圖1給出了制備Al納米棒陣列的工藝流程Al納米棒使用電子束正膠的曝光方案進(jìn)行加工。常用于紫外透明光電器件的石英襯底導(dǎo)電性差，對于制備本身粘附性較低的Al納米陣列結(jié)構(gòu)更具有極大的技術(shù)難度。采用以下方法可以實(shí)現(xiàn)在導(dǎo)電性差的襯底上制備納米陣列結(jié)構(gòu)。

電子束曝光過程包括以下步驟：（1）導(dǎo)電處理：在基底表面旋涂電子束正膠 PMMA A4，經(jīng)過90s前烘后進(jìn)行金屬磁控濺射沉積Cr，厚度為10nm；（2）曝光：電子束曝光，曝光劑量經(jīng)優(yōu)化后確定為1200μc/cm2，4-甲基-2-戊醇和異丙醇的比例為1∶3，顯影時間為120 s，異丙醇定影時間為30 s，用氮?dú)獯蹈珊笕〕龌?；?）金屬沉積：使用電子束蒸發(fā)沉積Al，厚度為40 nm；（4）剝離：通過丙酮浸泡，異丙醇和去離子水進(jìn)行清洗得到石英襯底上的Al納米陣列。

▍Al納米陣列的仿真模擬和形貌表征

基于FDTD對Al納米棒進(jìn)行模擬，分析其近場光學(xué)特性。設(shè)計了如圖2所示的Al納米棒模型。其中，長度為L=221 nm，寬度R=150 nm，橫向間距H=238 nm，縱向間距T=268 nm以及H=3 nm的氧化層。在理論模擬中，所有材料的折射率設(shè)置都取自（Handbook of Palik）手冊，光源設(shè)置為平面波，光源偏振方向為x軸方向，仿真波段在200-400 nm。

曝光劑量對電子束光刻制備納米結(jié)構(gòu)的形貌和尺寸影響較大，因此我們進(jìn)行了多組測試。圖3為以1200 μc/cm2劑量下制備的模板進(jìn)行金屬Al沉積后獲得的Al納米陣列的SEM照片。為了展示此加工技術(shù)對Al納米棒排布方式的有效控制，加工過程中將模板版圖設(shè)置為納米棒取向互相垂直的四個區(qū)域。

圖2：Al納米棒的FDTD模擬模型示意圖

圖3：相互垂直的四個區(qū)域周期性Al納米陣列SEM照片

▍實(shí)驗及結(jié)果分析

圖4為Al納米棒電場分布圖及CdSe/ZnS量子點(diǎn)形貌和光學(xué)性質(zhì)表征。以波長為325 nm且偏振方向平行于襯底的平面波作為入射光，計算得到的電場（近場）分布如圖4（a）所示。如圖4（b）所示，CdSe/ZnS 量子點(diǎn)的直徑為11±1 nm，并且其吸收光譜能夠覆蓋紫外光區(qū)（見圖4（c））。325 nm激發(fā)下，其熒光發(fā)射峰中心位于632 nm處（見圖4（d））。對比石英襯底上無Al納米陣列處CdSe/ZnS量子點(diǎn)和Al納米陣列表面CdSe/ZnS量子點(diǎn)的發(fā)光光譜，可以發(fā)現(xiàn)，Al納米陣列上的 CdSe/ZnS量子點(diǎn)熒光強(qiáng)度比石英襯底上CdSe/ZnS量子點(diǎn)熒光強(qiáng)度平均約高1.7倍。證實(shí)了所制備的透明石英襯底上的Al納米陣列確實(shí)可在紫外激發(fā)下實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)材料的熒光增強(qiáng)。

圖4：Al納米棒電場分布圖及CdSe/ZnS量子點(diǎn)形貌和光學(xué)性質(zhì)表征

▍工程應(yīng)用前景

該研究針對透明襯底上紫外共振金屬納米陣列制備的技術(shù)需求，在不導(dǎo)電石英襯底上，采用電子束曝光制備Al納米陣列，并對其形貌及性能進(jìn)行研究。成功在不導(dǎo)電襯底上獲得多取向集成的、對量子點(diǎn)具有顯著熒光增強(qiáng)效果的Al納米陣列，為背光激發(fā)下量子點(diǎn)發(fā)光調(diào)控和偏振調(diào)制提供了一種新策略，在紫外波段背光顯示領(lǐng)域展現(xiàn)出很好的應(yīng)用前景。

▍第一作者

王子恒，博士，現(xiàn)為長春理工大學(xué)“國際納米光子與生物光子聯(lián)合研究中心”成員。該中心為吉林省“納米光子學(xué)與生物光子學(xué)”重點(diǎn)實(shí)驗室及科技部納米生物光子學(xué)國際科技合作基地。2018年于長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院獲得學(xué)士學(xué)位，2018考入長春理工大學(xué)物理學(xué)院凝聚態(tài)物理專業(yè)，師從李金華教授。主要從事納米材料制備及光學(xué)特性方面的研究。
E-mail：825424850@qq.com

▍通訊作者

李金華，博士，教授，博士生導(dǎo)師，吉林省拔尖創(chuàng)新人才、吉林省春苗人才，現(xiàn)為長春理工大學(xué)“科技部納米生物光子學(xué)國際科技合作基地”、吉林省“納米光子學(xué)與生物光子學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗室”負(fù)責(zé)人，物理學(xué)院副院長，物理學(xué)科凝聚態(tài)物理方向帶頭人。2006年于中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所獲得博士學(xué)位，主要開展半導(dǎo)體納米光電材料與器件等方面研究。承擔(dān)國家級和省部級項目20余項，發(fā)表SCI檢索論文40余篇。
E-mail: lijh@cust.edu.cn

▍論文信息

王子恒,李金華,楚學(xué)影,張燁.石英上Al納米陣列的制備及熒光增強(qiáng)性能[J].光學(xué)精密工程,2023,31(14):2052-2059

https://ope.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/OPE.20233114.2052

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