CN108415116B - 一种强吸收圆二色性的单层三折孔纳米薄膜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明具体涉及一种强吸收圆二色性的单层三折孔纳米薄膜及其制备方法，该单层三折孔纳米薄膜由多个相同的纳米单元上下、左右组合构成，且呈单层手性结构，纳米单元的横截面为正方形，所述纳米单元上开设有三折孔，三折孔具有手性特征，且三折孔的长度方向与正方形的边长平行。该单层三折孔纳米薄膜的制备方法，包括甩胶后烘、曝光、显定影后烘、真空镀膜、溶胶后吹干步骤，比现有的三层、两层纳米薄膜的制备方法更简单，且该单层三折孔纳米薄膜实现强吸收圆二色性，且信号分布在可见光波段，利于信号的探测。

Description

一种强吸收圆二色性的单层三折孔纳米薄膜及其制备方法

技术领域

本发明属于电磁波偏振态调控领域，具体涉及一种强吸收圆二色性的单层三折孔纳米薄膜及其制备方法。

背景技术

手性特性是指该结构与其镜像对映体不可完全重合。手性结构具有的手性特征，使其在对不同偏振态的偏振光的光学响应中能产生诸多新奇的效果，例如非对称传输特性和圆二色性。吸收圆二色性(CircularDichroism.CD)是指结构对左旋偏振光和右旋偏振光具有不同的吸收率时所具有特性。

吸收圆二色性的公式为：CD＝A_--A₊，其中，A表示偏振光入射的吸收率，角标“-”表示左旋偏振光入射，角标“+”表示右旋偏振光入射。正是吸收圆二色性特性所产生的偏振态不等效吸收，使得手性结构可被用于诸多研究及应用领域。其中，吸收圆二色性在光学器件设计中具有重要应用前景，具有吸收圆二色性的手性结构设计，可指导偏振和方向敏感分束器、偏振态选择器等装置。手性结构及手性吸收圆二色性的光学响应应用的飞速发展，更促使了实现强吸收圆二色性的手性结构的探究。

近年来，手性金属纳米材料结构的光学特性由于金属表面产生的等离子激元而更加易于探测，因此受到了广泛关注，在光学、传感工程、化学催化和生物监测中都产生了诸多重要的工作，并发挥出了很大的作用和影响。其中，人造手性纳米结构的圆二色性的研究中出现了很多新颖的现象。对于现有的技术，研究者提出了诸多手性结构用来实现圆偏振光的透射圆二色性和吸收圆二色性。虽然能够实现效应，但效应信号不强，且结构复杂，不易制备。而简单的二层结构，虽然现有技术中也有单层手性结构实现圆偏振光的强吸收圆二色性效应，但效应仍未实现强的效果。

发明内容

本发明的目的是通过激发共振强电流，并增强金属内部电阻以增加热损耗，实现强吸收圆二色性，并克服三层、两层金纳米薄膜结构复杂而不利于制备的问题。

为此，本发明提供了一种强吸收圆二色性的单层三折孔纳米薄膜及其制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

一种强吸收圆二色性的单层三折孔纳米薄膜，该单层三折孔纳米薄膜由多个相同的纳米单元上下、左右组合构成，且呈单层手性结构；

所述纳米单元的横截面为正方形，所述纳米单元上开设有三折孔；

所述三折孔具有手性特征，且所述三折孔的长度方向与正方形的边长平行。

进一步地，上述纳米单元沿P_x、P_y方向的边长均为620nm，所述纳米单元的高度t为60nm～100nm。

进一步地，上述三折孔由一矩形孔、第一三角形孔、第二三角形孔、第三三角形孔和第四三角形孔组成；

所述第一三角形孔与第二三角形孔大小相同，所述第三三角形孔与第四三角形孔大小相同；

所述第三三角形孔和第四三角形孔的底边分别与矩形孔的两个宽边相切，且所述第三三角形孔和第四三角形孔的底边与矩形孔的宽边相等；

所述第一三角形孔和第二三角形孔的底边分别与矩形孔的两个长边相切，且第一三角形孔与第三三角形孔相邻，第二三角形孔与第四三角形孔相邻。

进一步地，上述矩形孔的长边方向与P_x方向之间的夹角α为0°～180°，所述矩形孔的长度l为520nm，宽度w为200nm。

进一步地，上述第一三角形孔和第二三角形孔的底边d₁、d₂均为150nm，孔高h₁、h₂均为100nm；

所述第三三角形孔和第四三角形孔的底边d₃、d₄均为200nm，孔高h₃和h₄均为75nm。

一种上述单层三折孔纳米薄膜的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、甩胶后烘：用甩胶机在基底上甩电子束负胶SU-8后，放置在热板上烘烤；

步骤二、曝光：对步骤一烘烤后的基底，用图形发生器设计任一项上述单层三折孔纳米薄膜图形，并用电子显微镜曝光图形，得到曝光后的基底；

步骤三、显定影后烘：室温条件下，将步骤二曝光后的基底先放入显影液中浸泡显影，再放入定影液中浸泡，最后放置在热板上烘烤；

步骤四、真空镀膜：将步骤三烘烤后的基底放入电子束真空蒸发镀膜机中，先抽真空，再依次蒸镀钛和金，最后冷却10min～20min后取出；

步骤五、溶胶后吹干：先将步骤四镀膜后的基底置于去胶液中，直至电子束负胶SU-8完全溶解，最后进行吹干，得到单层三折孔纳米薄膜。

进一步地，上述步骤一之前还包括基底清洗步骤；

所述基底清洗步骤为：将基底放入洗涤液中清洗，再依次用去离子水、丙酮、酒精、去离子水超声清洗，最后吹干。

进一步地，上述基底为ITO玻璃，所述ITO玻璃的透射率大于83％。

进一步地，上述步骤一中甩电子束负胶SU-8的厚度为200nm。

进一步地，上述步骤四中蒸镀钛的厚度为10nm，蒸镀金的厚度为80nm。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1.本发明的单层三折孔纳米薄膜可达到高达29％的平面二维结构的强吸收圆二色性效应，且信号分布在可见光波段，利于信号的探测；

2.本发明通过利用纳米单元间构成的狭缝设计激发共振强电流，并通过结构设计增强金属内部电阻，增加热损耗，以实现强吸收圆二色性，设计思路具有指导意义；

3.本发明的单层三折孔纳米薄膜在结构、制备方法上比现有的三层、两层纳米薄膜更简单，制备更有优势，且应用范围及领域更广。

附图说明

图1是单层三折孔纳米薄膜的三维结构图及偏振光入射示意图；

图2是纳米单元的二维平面图；

图3是单层三折孔纳米薄膜的不同偏振光入射下的吸收光谱图；

图4是单层三折孔纳米薄膜的吸收圆二色性曲线图；

图5是共振波段下不同偏振光入射结构激发的电荷电流分布图。

图中：1、纳米单元；2、三折孔；21、第一三角形孔；22、第二三角形孔；23、第三三角形孔；24、第四三角形孔；25、矩形孔。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

为了解决圆二色性效应信号不强、结构复杂、不易制备的问题，本实施例提供了一种强吸收圆二色性的单层三折孔纳米薄膜，通过激发共振强电流，并削弱金属内部电阻以减少热损耗，实现强吸收圆二色性，并克服三层、两层金纳米薄膜结构复杂而不利于制备的问题。

参照图1和图2，本实施例的强吸收圆二色性的单层三折孔纳米薄膜，由多个相同的纳米单元1上下、左右组合构成，且呈单层手性结构。其中，纳米单元用于实现偏振光的强吸收圆二色性，纳米单元1的横截面为正方形。纳米单元1沿P_x、P_y方向的边长均为620nm，纳米单元1的高度t为60nm～100nm，本实施例采用的纳米单元的高度t为80nm。

本实施例的纳米单元1的基底材料用二氧化硅，在二氧化硅上依次蒸镀钛金属和金，除了金以外，最外层也可以是其他金属材料，但是金的导电性最好，等离子激元激发最显著，所以本实施例的纳米单元的表面材料优选金。二氧化硅的表面蒸镀钛是为了防止金脱落。

纳米单元1上开设有三折孔2，该三折孔2具有手性特征，且三折孔2的长度方向与正方形的边长平行。三折孔2由一矩形孔25、第一三角形孔21、第二三角形孔22、第三三角形孔23和第四三角形孔24组成，且第一三角形孔21、第二三角形孔22、第三三角形孔23和第四三角形孔24均与矩形孔25连通。

第一三角形孔21与第二三角形孔22大小相同，第三三角形孔23与第四三角形孔24大小相同。第三三角形孔23和第四三角形孔24的底边分别与矩形孔25的两个宽边相切，且第三三角形孔23和第四三角形孔24的底边与矩形孔25的宽边相等。第一三角形孔21和第二三角形孔22的底边分别与矩形孔25的两个长边相切，且第一三角形孔21与第三三角形孔23相邻，第二三角形孔22与第四三角形孔24相邻。第三三角形孔23与第四三角形孔24关于矩形孔25的中心呈中心对称，第一三角形孔21与第二三角形孔22关于矩形孔25的中心呈中心对称。

矩形孔25的长边方向与P_x方向之间的夹角α为0°～180°，矩形孔25的长度l为520nm，宽度w为200nm。第一三角形孔21和第二三角形孔22的底边d₁、d₂均为150nm，孔高h₁、h₂均为100nm。第三三角形孔23和第四三角形孔24的底边d₃、d₄均为200nm，孔高h₃和h₄均为75nm。第一三角形孔21、第二三角形孔22的底边分别与矩形孔25的两个长边相切，第一三角形孔21、第二三角形孔22位于矩形孔25的不同长边上。第一三角形孔21的底边中心点位于矩形孔25上长边左侧直角75nm处，第二三角形孔22的底边中心点位于矩形孔25下长边右侧直角75nm处。第三三角形孔23、第四三角形孔24的底边分别与矩形孔25的两个宽边相切，第三三角形孔23的底边中心点位于矩形孔25左宽边中心处，第四三角形孔24的底边中心点位于位于矩形孔25右宽边中心处。第三三角形孔23和第四三角形孔24关于矩形孔25对称放置。

参照图1和图2，令Px＝Py＝620nm，l＝520nm，w＝200nm，α＝22.5°，t＝80nm，d₁＝d₂＝150nm，h₁＝h₂＝100nm，h₃＝h₄＝75nm时，三折孔纳米薄膜的吸收效率A如图3所示，若入射光为左旋圆偏振光，结构会吸收一部分的左旋偏振光，手性结构对不同的入射偏振光的吸收效果是不同的，用吸收效率表示分别为A_-与A₊，下角标“-”(“+”)反映左(右)旋圆偏振光入射结构对其的吸收效果。

图3为单层三折孔纳米薄膜的不同偏振光入射下的吸收光谱图，如图3所示，实心方格点曲线表示左旋偏振光入射时该结构对其的吸收率，空心方格点曲线表示右旋偏振光入射时该结构对其的吸收率。图3中两条竖直虚线分别为两个主要透射差异共振波段，690nm波段位置对应模式I，630nm波段位置对应模式II，不同偏振态的圆偏振光照射单层三折孔纳米薄膜具有不同的吸收效果。

对模式I共振波段，当左旋偏振光入射，单层三折孔纳米薄膜对左旋偏振光的吸收效率为9.8％，且位于该入射光吸收光谱曲线中的峰处；当右旋偏振光入射，单层三折孔纳米薄膜对右旋偏振光的吸收效率为38.9％，且位于该入射光吸收光谱曲线中的峰处。

对模式II共振波段，当右旋偏振光入射，单层三折孔纳米薄膜对右旋偏振光的吸收效率为24.3％，且位于该入射光吸收光谱曲线中的峰处；当右旋偏振光入射，单层三折孔纳米薄膜对右旋偏振光的吸收效率为32.2％，且位于该入射光吸收光谱曲线中的峰处。本实施例中单层三折孔纳米薄膜的设计使两种偏振光的吸收率曲线峰处对应。

参照图1、图2和图3，令Px＝Py＝620nm，＝500nm，w＝200nm，α＝22.5°，t＝80nm，d₁＝d₂＝150nm，h₁＝h₂＝100nm，h₃＝h₄＝75nm，采用吸收圆二色性的公式表示即：CD＝A_--A₊。绘制如图4的吸收圆二色性曲线，单层三折孔纳米薄膜的吸收圆二色性曲线用实心方格点曲线表示。本实施例中单层三折孔纳米薄膜的设计使两种偏振光的吸收率曲线如图3在峰630nm处对应，从而激发出图4中对应的630nm波段的吸收圆二色性效应，为7.9％。本实施例中单层三折孔纳米薄膜的设计使两种偏振光的吸收率曲线如图3在690nm处对应，从而激发出图4中对应的690nm波段的强吸收圆二色性效应，高达29.1％，该信号分布在可见光波段，且信号强，易于探测。

图5为630nm和690nm波段处，在不同偏振光入射结构激发的不同模式的电荷分布图。颜色强弱代表电荷积聚数目，左侧图表示左旋偏振光入射激发，右侧图表示右旋偏振光入射激发。

在630nm模式II激发下，当左旋偏振光入射单层三折孔纳米薄膜，电荷积聚主要分布于该结构的尖端以及阵列间纳米单元构成的窄带位置，由于电荷积聚而形成左旋圆偏振光吸收峰；当右旋偏振光入射单层三折孔纳米薄膜，电荷积聚同样主要分布于该结构的尖端以及阵列间纳米单元构成的窄带位置，由于强电荷积聚而形成右旋圆偏振光吸收尖峰，但形成的电荷积聚强度要高于左旋偏振光入射的情况。

690nm模式I激发下，当左旋偏振光入射单层三折孔纳米薄膜，电荷积聚主要分布于该矩形孔25的长边位置与第一三角形孔、第二三角形孔的斜边位置，电荷积聚而形成左旋圆偏振光吸收峰；当右旋偏振光入射单层三折孔纳米薄膜，电荷积聚主要分布于上下相邻的纳米单元结构构成的宽面之间位置，由于强电荷积聚而形成右旋圆偏振光吸收尖峰，且形成的电荷积聚强度要远高于左旋偏振光入射下的情况。

在右旋偏振光入射单层三折孔纳米薄膜时，强电荷积聚主要分布于上下相邻的纳米单元结构构成的宽面之间位置，因此激发出强电流方向沿着y-轴流动，激发出强的阵列间纳米单元的上下耦合。对圆偏振光的吸收主要转化为结构的热能被耗散，因此热功率是吸收率的主要影响因素。由于热功率主要来源于强电流的二次方和电阻的一次方：P＝I²×R，因此电流为影响其的主导因素，电阻为辅助因素。电流的主要影响因素为电荷积聚强度，而电阻的影响因素为材料电阻率、长度和横截面积：R＝ρ×l÷S。

左旋圆偏振光激发的模式II下，单层三折孔纳米薄膜主要形成了左右纳米单元间构成的窄带耦合,由于窄带的横截面积S小，使窄带具有较小的电阻影响，且窄带易于激发局域电场，因此产生了左旋偏振光吸收峰，在右边旋圆偏振光激发下，耦合同样主要产生于左右纳米单元间构成的狭缝，但由于该结构在右边旋圆偏振光激发下，产生了强电荷积聚，形成较高的电流，因此产生了相较于左旋更高的右旋旋偏振光吸收峰，因此在模式I处690nm，两个不同偏振态的偏振光入射结构具有明显的吸收率差异，因此实现了吸收圆二色性，为7.9％。

右旋圆偏振光激发的模式I下，单层三折孔纳米薄膜的强电荷积聚利于形成上下纳米单元间耦合的强电流，因此产生了强的右旋偏振光吸收尖峰，而左旋圆偏振光激发下，耦合主要是矩形孔长边与第一三角形孔、第二三角形孔的斜边，在此位置产生电流分布，且电荷积聚不强，耦合强度低，因此在模式I处690nm，两个不同偏振态的偏振光入射结构产生了强的吸收率差异，因此实现了强吸收圆二色性，高达29.1％。

本实施例还公开了单层三折孔纳米薄膜的制备方法，具体步骤如下：

步骤一、甩胶后烘：用甩胶机在基底上甩200nm厚的电子束负胶SU-8；甩胶机转速设定为1000rpm(甩胶机可以设定0-6000rpm)时间设定为60s，甩胶厚度200nm，将甩好胶的样品放在已经加热到150℃的热板上，烘烤时间为(3-15min)。

步骤二、曝光：对所述步骤一烘烤后的基底，用图形发生器设计本实施例的单层三折孔纳米薄膜的结构图形，并用电子显微镜曝光图形，得到曝光后的基底；

步骤三、显定影后烘：室温条件下，将所述步骤二曝光后的基底先放入显影液中浸泡显影，再放入定影液中浸泡，最后放置放在150℃的热板上烘烤3min；

步骤四、真空镀膜：将所述步骤三的样品放入电子束真空蒸发镀膜机中抽真空，真空度要达到3*10-6tor以下，蒸镀10nm厚的钛，然后蒸镀80nm的金(其他金属材料也可以)，蒸镀完冷却10-20min后才可以取出样品，防止钛靶材被氧化，最后冷却10min～20min后取出；

步骤五、溶胶后吹干：先将所述步骤四镀膜后的基底置于去胶液中，直至电子束负胶SU-8完全溶解，最后用氮气枪或洗耳球吹干处理好的样品，得到单层三折孔纳米薄膜。

试验前可以先对步骤一中基底进行清洗，清洗步骤为：将基底放入洗涤液中清洗，再依次用去离子水、丙酮、酒精、去离子水超声清洗，最后吹干。本实施例的基底为ITO玻璃，ITO玻璃的透射率大于83％。

本实施例提供的单层三折孔纳米薄膜，不同圆偏振光通过该结构可以得到不同效率的偏振光吸收，可指导设计偏振和方向敏感分束器、偏振态选择等装置。经吸收过滤掉后的透射光偏振态可根据技术需要，通过其他结构如偏振片进行后续操作加以利用；本实施例制作工艺简单，可以实现强吸收圆二色性特性。并且，本实施例通过利用上下纳米单元间在右旋偏振光激发下构成的宽面耦合设计，激发共振强电流，并通过结构设计构成的左右单元间的窄带激发局域电场，并增强金属内部电阻以增加热损耗，激发吸收峰，进一步实现强吸收圆二色性，设计思路对手性样品设计、仪器选择与理论研究上具有指导意义。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种强吸收圆二色性的单层三折孔纳米薄膜，其特征在于：该单层三折孔纳米薄膜由多个相同的纳米单元(1)上下、左右组合构成，且呈单层手性结构；

所述纳米单元(1)的横截面为正方形，所述纳米单元(1)上开设有三折孔(2)；

所述三折孔(2)具有手性特征，且所述三折孔(2)的长度方向与正方形的边长平行；

所述纳米单元(1)沿P_x、P_y方向的边长均为620nm，P_x为纳米单元的长，P_y为纳米单元的宽，所述纳米单元(1)的高度t为60nm～100nm；

所述三折孔(2)由一矩形孔(25)、第一三角形孔(21)、第二三角形孔(22)、第三三角形孔(23)和第四三角形孔(24)组成；

所述第一三角形孔(21)与第二三角形孔(22)大小相同，所述第三三角形孔(23)与第四三角形孔(24)大小相同；

所述第三三角形孔(23)和第四三角形孔(24)的底边分别与矩形孔(25)的两个宽边相切，且所述第三三角形孔(23)和第四三角形孔(24)的底边与矩形孔(25)的宽边相等；

所述第一三角形孔(21)和第二三角形孔(22)的底边分别与矩形孔(25)的两个长边相切，且第一三角形孔(21)与第三三角形孔(23)相邻，第二三角形孔(22)与第四三角形孔(24)相邻；

所述矩形孔(25)的长边方向与P_x方向之间的夹角α为0°～180°，所述矩形孔(25)的长度l为520nm，宽度w为200nm；

所述第一三角形孔(21)和第二三角形孔(22)的底边d₁、d₂均为150nm，孔高h₁、h₂均为100nm；

所述第三三角形孔(23)和第四三角形孔(24)的底边d₃、d₄均为200nm，孔高h₃和h₄均为75nm。

2.一种权利要求1所述单层三折孔纳米薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、甩胶后烘：用甩胶机在基底上甩电子束负胶SU-8后，放置在热板上烘烤；

步骤二、曝光：对步骤一烘烤后的基底，用图形发生器设计如权利要求1所述单层三折孔纳米薄膜图形，并用电子显微镜曝光图形，得到曝光后的基底；

步骤三、显定影后烘：室温条件下，将步骤二曝光后的基底先放入显影液中浸泡显影，再放入定影液中浸泡，最后放置在热板上烘烤；

步骤四、真空镀膜：将步骤三烘烤后的基底放入电子束真空蒸发镀膜机中，先抽真空，再依次蒸镀钛和金，最后冷却10min～20min后取出；

步骤五、溶胶后吹干：先将步骤四镀膜后的基底置于去胶液中，直至电子束负胶SU-8完全溶解，最后进行吹干，得到单层三折孔纳米薄膜。

3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤一之前还包括基底清洗步骤；

所述基底清洗步骤为：将基底放入洗涤液中清洗，再依次用去离子水、丙酮、酒精、去离子水超声清洗，最后吹干。

4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述基底为ITO玻璃，所述ITO玻璃的透射率大于83％。

5.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤一中甩电子束负胶SU-8的厚度为200nm。

6.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤四中蒸镀钛的厚度为10nm，蒸镀金的厚度为80nm。

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