材料物理报告纳米光子学ppt课件

1、纳米光子学Nanophotonics）材料物理 课程报告1什么是纳米光子学？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. 身边的纳米光子学身边的纳米光子学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纳米光子学的研究领域纳米光子学的研究领域Nanoscale confinement of matter: Control of optical resonance, local interactions, e

3、xcitation dynamics and energy transfer 等离子激原光子学等离子激原光子学Plasmonics）e.g. 表面增强拉曼散射表面增强拉曼散射 (Surface-enhanced Raman Spetroscopy)表面增强荧光表面增强荧光 (Surface-enhanced Fluorescence) 拉曼显微分析仪和荧光光谱仪3Nonocsale photoprocessesControl of spatial confinement of photochemical and photophysical processes纳米制备纳米制备 Nanofabri

4、cation纳米光子器件纳米光子器件 Nanoscale device and nanosensors纳米光子学的研究领域纳米光子学的研究领域4Nanoscale confinement of radiation Control of propagation properties of radiation and its interaction with matter近场光学显微镜近场光学显微镜 (Near field optical microscopy) 扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜 (Photon scanning tunneling microscopy)纳米光子学的研究领域纳米光子学

5、的研究领域5等离子体光学等离子体光学PlasmonicsPlasmonics）Surface Plasmons金属表面的空穴，束缚空气中的电子，形成等离子体等离子电场，受表面纳米形态控制，形成局域性电场 6表面等离子激原的性质n在垂直于界面的方向场强呈指数衰减; n 作用区间有限，电场强度与界面距离密切相关n能够突破衍射极限n 制作近场显微镜的前提条件n具有很强的局域场增强效应 (Hot Spots)n 导致了表面增强拉曼和表面增强荧光科学的诞生7等离子体光学的发展与应用Plasmonicsn“Plasmonics一词最早由斯坦福大学的Mark L. Brongersma 教授于提出，加州理工

6、学院Harry A. Atwater 教授认为这一领域的研究将促进全新类型设备的问世，于2000 年将这一新兴学科正式命名“plasmonics”。Mark L.BrongersmaHarry A.Atwater8运用：表面等离子体光波导运用：表面等离子体光波导 （Surface-plasmon waveguides)表面等离子激元在导体和绝缘体的界面上传播，而在垂表面等离子激元在导体和绝缘体的界面上传播，而在垂直于表面的方向，其强度随它离表面的距离呈指数减直于表面的方向，其强度随它离表面的距离呈指数减小。小。等离子体光学的发展与应用Waveguides9运用：非线性光学运用：非线性光学non

7、linear optics） 表面等离子激元将光的能量聚表面等离子激元将光的能量聚集引起电场强度的增强集引起电场强度的增强Hot spots产生非线性现象产生非线性现象e.g. 纳米光学开关纳米光学开关 nano-optical switch 等离子体光学的发展与应用Nonlinear OpticsTips：什么是非线性光学？介质折射率随入射光强发生变化！可以应用于光学倍频，激光器Schematic of nano-optical switch10运用：光子晶体运用：光子晶体 (photonic crystal) & 左手材料左手材料 （Left-handed material)折射率

8、周期性变化的绝缘材料折射率周期性变化的绝缘材料 控制光子运动控制光子运动等离子体光学的发展与应用Photonic crystal三维左手特异性材料微波人造黑洞11n东南大学毫米波国家重点实验室 崔铁军教授合作研制成功“隐身衣”，独立制作出可吸收微波频段的“黑洞”。n弹性散射和非弹性散射. n与原入射光频率相同：瑞利散射n少量的比激发光波短，比激发光波长的成分, 这种现象称为拉曼效应Raman and Fluorescence12Raman Spectrum光穿过透明介质被分子散射的光发生频率变化，这一现象称为拉曼散射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.拉曼谱线的数目，位移的大小，谱线的长度与分子振动或转动能级有关。Raman and Fluorescence13n4.有色样品可能吸收激光能量

10、烧损Raman and Fluorescence14Brief principles of fluorescenceRaman and Fluorescence15荧光磷光能态机制激发单态基态三重激发态基态发射速率发射快 emission rate 108/s发射慢 emission rate 100-103/s时间尺度 timescale时间尺度短 lifetime 10纳秒量级时间尺度长 lifetime 毫秒秒量级自旋状态激发态与基态相反 spin allowed激发态与基态相同 not allowedComparison of fluorescence and phosphoresce

11、nceRaman and Fluorescence16n作为工具： 荧光光谱分析n 时间分辨荧光测定n流式细胞术flow cytometry)n药物检测medical diagnostics）nDNA测序 （DNA sequencing）n遗传分析genetic analysis）Raman and Fluorescence17n重点研究领域：荧光成像 图：细胞中的DNA与蛋白质表达模型用荧光观察、检测细胞中的单个DNA或蛋白质分子，甚至对其进行控制Raman and Fluorescence18Comparison of Raman and FluorescenceRaman and Flu

12、orescence19n减弱拉曼信号中的荧光干扰减弱拉曼信号中的荧光干扰n采用能量小于分子第一激发态与基态的差值的光子照射采用能量小于分子第一激发态与基态的差值的光子照射样品，减少荧光发生。样品，减少荧光发生。n匹配入射光波，使之达到拉曼共振，增强拉曼信号。匹配入射光波，使之达到拉曼共振，增强拉曼信号。n加荧光淬灭剂，如溴化合物、碘化合物、硝基化合物及加荧光淬灭剂，如溴化合物、碘化合物、硝基化合物及其衍生物。其衍生物。n根据两者寿命不同进行信号分离。根据两者寿命不同进行信号分离。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、灵敏度更高 单分子2、成本低廉 固有荧光3、处理工艺简单Part 2:Nanofabrication: Solution-based methodn液相反应法液相反应法 Solution-based methodn使用均相溶液，在液体中发生化学反应使用均相溶液，在液体中发生化

16、学反应n生成所需要的溶质生成所需要的溶质n溶质和溶剂分离，溶质形成一定形状和大小的溶质和溶剂分离，溶质形成一定形状和大小的颗粒，得到所需粉末的前驱体颗粒，得到所需粉末的前驱体n热解或干燥后得到纳米材料热解或干燥后得到纳米材料24n优势：设备简单、原料容易获得、纯度高、均匀性好、化学组成控制准确n运用：主要用于氧化物系纳米颗粒和纳米线的制备。n方法：n沉淀法 水解法n水热法 喷雾法n微乳液法 溶胶-凝胶法Nanofabrication: Solution-based method25可溶性盐溶液：包含一种或多种离子加入沉淀剂，(如OH-，CO32-等) 形成不溶物析出除去溶剂和其他可溶性物质脱水

17、即得到纳米颗粒(A) (A) 沉淀法沉淀法 precipitation method precipitation methodNanofabrication: Solution-based method26(B)(B)溶胶溶胶- -凝胶法凝胶法 (sol-gel method) (sol-gel method)胶体胶体colloidcolloid）: 1-100nm: 1-100nm粒子的分散体系，粒粒子的分散体系，粒子的重力可以忽略子的重力可以忽略 （淀粉糊）（淀粉糊） 溶胶溶胶SolSol）：形成固体）：形成固体- -液体的胶体体系液体的胶体体系凝胶凝胶GelGel）：溶胶失去平衡，分散的

18、纳米颗）：溶胶失去平衡，分散的纳米颗粒发生聚集成为网络状的聚集体。粒发生聚集成为网络状的聚集体。例：豆腐 （蛋白质与水的凝胶）豆浆：蛋白质胶体加卤水：用盐卤或石膏等破坏双电层结构，使豆浆蛋白质胶体凝聚27Nanofabrication: Solution-based method溶胶溶胶- -凝胶法优点凝胶法优点(i)(i)化学均匀性好：胶粒间化学成分完全一致。化学均匀性好：胶粒间化学成分完全一致。(ii)(ii)高纯度：高纯度：(iii)(iii)颗粒细：胶粒尺寸小于颗粒细：胶粒尺寸小于0.1um0.1um。 *Nanofabrication: Solution-based method28

19、type Atype Btype CSubstrate不同尺寸球体组成的多层不同尺寸球体组成的多层结构结构-超晶格超晶格利用表面活性剂：两亲性分子， 一端为亲水性，一端亲油性 e.g. 肥皂：硬脂酸钠，C17H35COONa 疏水端亲水端水包油胶团油包水胶团水油29（C C微乳法微乳法 microemulsion microemulsion传统洗涤剂：肥皂、洗衣粉和液体洗涤剂Nanofabrication: Solution-based method 微乳法制备纳米粒子包含反应物的微乳液混合，两种微乳液滴交换成分并发生化学反应，生成需要材料的微乳液微乳液A+微乳液B微乳液C烘干或热解除去表面活

20、性剂纳米材料ZrO2颗粒氧化锆）30Nanofabrication: Solution-based method化学气相沉积化学气相沉积利用气态的反应物，通过原子或分子间的化学利用气态的反应物，通过原子或分子间的化学反应的途径在衬底上生成薄膜、纳米线或颗粒。反应的途径在衬底上生成薄膜、纳米线或颗粒。优势：制模，如介电材料、导体或半导体等薄优势：制模，如介电材料、导体或半导体等薄膜材料膜材料31供气系统生长腔排气系统生长腔需供能完成反应，供能方式：加热、等离子放电、紫外光照射、激光照射。常用CVD技术：热管炉化学气相沉积HWCVD）热丝化学气相沈积HFCVD） 等离子体辅助化学气相沈积PECVD

21、）金属有机化学气相沈积MOCVD）激光诱导CVD电子束诱导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.光致发光过程：首先是光吸收过程，激发产生电子一空穴等非平衡载流子；其次是非平衡载流子的输运和电子一空穴对的复合过程；第三是辐射复合产生的光子在样品中传播并发射的过程。通过对光致发光光谱的研究可以了解材料的许多性质，如电子带隙结构、电子一声子的耦合、杂质中心和缺陷特性等。33Application of Nanofabrication: nano-devices e.g. Porous silicon90年代，多孔硅的出现，使得硅材料发光成为可能，也成为了科研领域研究的热点多孔硅的发光与孔度有关

23、低孔度无荧光;孔度60 ，近红外区出现荧光；孔度70，荧光进入可见光区；孔度80 ，进入橙光段。而且其发光的强度也与孔隙率有关，提高孔隙率是提高多孔硅发光强度的必要条件。34Multicolor photoluminescence from porous siliconAdv. Mater. 18,51 (2019)多孔硅的光学性质多孔硅的光学性质间接带隙的单晶硅只能发射间接带隙的单晶硅只能发射微弱的红外光，而经过阳极微弱的红外光，而经过阳极化处理后得到的多孔硅却能化处理后得到的多孔硅却能发射较强的近红外、可见和发射较强的近红外、可见和近紫外光近紫外光.Application of Nanof

24、abrication: nano-devices e.g. Porous silicon35多孔硅的应用研究三个方向：光电子器件、光学器件和传感器件。传输速率比电子高几个数量级的光子引入技术相当成熟的集成电路，从而实现光电子集成，这是最吸引人的方面， 除此之外，发光二极管、激光二极管的研究也是正在做的工作。2019年，Hirschman等人报道了将多孔硅发光器件与硅基微电子器件集成在一块芯片上的研究进展，这是利用多孔硅实现光电子集成的首例实验，其意义在于明确地表明在技术上多孔硅的光电子集成是可行的Application of Nanofabrication: nano-devices e.g.

25、 Porous silicon36从光发射到光吸收：新一代太阳能电池多孔硅在光伏器件上的应用早在1982年已有报道。电化学方法作薄多孔硅层。在500800nm 范围内反射率从原来的37降至8现今研究集中在多孔硅电学性质的变化与多孔硅的制作条件、厚度、孔隙率等的关系。现研究表明多孔硅的光学性能随孔隙率的增加而提高。Application of Nanofabrication: nano-devices e.g. Porous siliconn太阳能电池太阳能电池 (Solar cells): devices which convert solar light energy directly in

26、to electricityn referred to as the photovoltaic effect(光电效光电效应）应）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. 比非晶硅薄膜更宽广的光能隙(1.2-2.4eV)，吸收范围更宽，有利于提高电池的效率孔多杂质吸附）n2. 具有比非晶硅薄膜高的吸收系数和高出数百倍的电子迁移率，对光生载流子具有更高的收集效率，能产生更高的短路光电流。Appl. Phys. Lett. 94, 242105 (2021)41J. Appl. Phys. 97 024305