CN108549126A - 一种增强非对称传输的纳米薄膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电磁波偏振态调控领域，具体涉及一种增强非对称传输的纳米薄膜及其制备方法，由多个相同的纳米单元按矩形周期阵列排布构成，纳米单元为方形体，纳米单元上设有一通孔，通孔由一矩形孔和四个相同的半圆孔组成。本发明是利用增强非对称传输的纳米薄膜设计实现高非对称传输，其信号分布在可见光波段利于信号的探测。并且，可以通过面积微调实现有效地增强非对称传输效果，成倍增强该结构的非对称传输效应，本发明的纳米薄膜在结构、制备方法上比现有的三层、两层金纳米薄膜更简单，制备更有优势，且应用范围及领域更广。
Description
技术领域
本发明属于电磁波偏振态调控领域，具体涉及一种增强非对称传输的纳米薄膜及其制备方法。
背景技术
手性，是与其镜像不可重合的结构的特性。由于手性结构所具备的特性，不同偏振态的偏振光入射将产生不同的光学响应。非对称传输（Asymmetry Transmission,AT）便是其中一种对左旋偏振光和右旋偏振光具有不同转换效率的光学手性表征，也可以理解为同一种偏振光从结构正面和反面入射后的转换效率不同。这种特殊的光学特性，使得手性结构的研究在诸多领域有潜在应用，如生物监测、光学器件设计等领域。其中，非对称传输在光学器件设计中具有重要意义，可指导设计偏振和方向敏感分束器、偏振旋转器、偏振态选择等装置。手性结构及手性光学响应领域的飞速发展，更促使了实现高效非对称传输的手性结构的进一步研究，此研究具有重要的现实意义。
近年来，人造手性纳米材料的光学特性被广泛研究，并在光学、传感工程、化学催化和生物监测中展现出很高的应用潜能。其中，人造手性纳米材料的非对称传输的研究工作中出现了很多新颖的现象。对于现有的技术，研究者提出了通过多层结构用来实现圆偏振光、线偏振光的非对称传输效应，这种方法虽然能够实现效应，但结构复杂，不易制备。而简单的双层结构，虽然现有技术中也有平面单层结构实现圆偏振光的非对称传输效应，但仍未达到很强的效果，并且结构的非对称传输调控效率低，调控效果不明显。
发明内容
本发明的目的是通过设计单层手性结构，通过面积的微调大幅度改变非对称传输效应，并克服三层、双层金纳米薄膜结构方法复杂不利于制备的问题。
为此，本发明提供了一种增强非对称传输的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：
一种增强非对称传输的纳米薄膜，由多个相同的纳米单元按矩形周期阵列排布构成；
所述纳米单元为方形体；所述纳米单元上设有一通孔；所述通孔由一矩形孔和四个相同的半圆孔组成；所述四个半圆孔分布于矩形孔的外侧；所述每个半圆孔直径d分别与其所对应的矩形孔边重合。
进一步地，所述半圆孔直径d不大于所述矩形孔的短边长度w。
进一步地，所述矩形孔的长边X方向之间具有一夹角α；所述夹角α为0°～180°。
进一步地，所述纳米单元由贵金属材料制成。
进一步地，所述增强非对称传输的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:对所述步骤一烘烤后的基底，用图形发生器设计所述增强非对称传输的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，最后放置在热板上烘烤；
步骤四、真空镀膜:将所述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，再依次蒸镀钛和贵金属，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，最后进行吹干，得到平面纳米薄膜。
进一步地，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。
进一步地，所述步骤四中蒸镀钛的厚度为8~15 nm，蒸镀贵金属的厚度为70~90nm。
进一步地，所述步骤一中甩电子束负胶SU-8的厚度为180~220nm。
进一步地，所述基底为ITO玻璃，所述ITO玻璃的透射率大于83%。
进一步地，所述吹干步骤采用的是氮气吹干或吸耳球吹干。
上述的一种增强非对称传输的纳米薄膜及其制备方法，与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明的增强非对称传输的纳米薄膜，最大可达到高达17%的平面二维结构的非对称传输效应，并且，本发明可以通过半圆孔而对矩形孔面积进行微小调整，利用半圆孔的突起增强平面间矩形孔的耦合，调控相邻结构间的电流分布，增强结构手性信号，实现大幅度增强AT的目的，高达约3倍的增强非对称传输效应的效果。且非对称传输信号分布在可见光波段，利于信号的探测。本发明的增强非对称传输的纳米薄膜在结构、制备方法上比现有的三层、双层金纳米薄膜更简单，且相对于单层对应的非对称传输效应更强，应用范围和领域更广，为光学偏振器提供了一种新的思路和方法，具有很强的推广应用价值。
附图说明
图1是本发明纳米薄膜的三维结构图；
图2是本发明纳米单元的二维平面图；
图3是本发明纳米薄膜的非对称透射光谱图；
图4是本发明纳米薄膜实验组与矩形孔金纳米薄膜对照组的非对称传输曲线图；
图5是本发明纳米薄膜在690nm波段处不同偏振光照射时激发的电场分布图。
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。
实施例1：
如图1和图2所示，的一种增强非对称传输的纳米薄膜，由多个相同的纳米单元按矩形周期阵列排布构成，纳米单元为方形体，纳米单元上设有一通孔1，通孔由一矩形孔11和四个相同的半圆孔12组成；四个半圆孔12分布于矩形孔1的外侧；每个半圆孔12直径d分别与其所对应的矩形1孔边重合。如图2所示增强非对称传输的纳米薄膜，半圆孔12直径d不大于矩形孔的短边长度w。矩形孔的长边与QUOTE 方向之间具有一夹角α，夹角α为0°～180°。纳米单元由贵金属材料制成，本实施例优选为金。
本发明为平面手性结构，可以产生非对称传输特性，相对于双层和多层结构制备工艺简单，节省人力物力，且可以达到相同的效果。
实施例2：
在本实施例中，若入射光为左旋圆偏振光，出射光中既有左旋圆偏振光，还有通过该薄膜转化出的右旋圆偏振光，不同出射光中转换偏振态光的效果是不同的，用透射率表示分别为与，下角标“+-”（“-+”）代表左（右）旋圆偏振光入射，右（左）旋圆偏振光出射。如图1和图2所示，基于实施例中的增强非对称传输的纳米薄膜，使用三维有限元方法（FEM）计算软件COMSOL Multiphysics进行计算模拟试验，设定结构的参数：
矩形孔长边长度l = 520nm，短边长度w = 200nm，半圆孔半径r = 60nm，矩形孔长边与x方向的夹角α=22.5°，纳米单元的厚度t=80nm，纳米单元的周期 Px = Py = 620nm，得到模拟结果增强非对称传输的纳米薄膜的透射谱图如图3所示，实心方格点曲线表示左旋偏振光入射对应的偏振态转化透射率，空心圆形点曲线表示右旋偏振光入射对应的偏振态转化透射率。
从图3透射谱图，其中虚线所标的690nm波段位置，不同偏振光照射本实施例纳米薄膜激励出了不同的模式：当左旋偏振光入射，纳米薄膜对光偏振态转换成的右旋偏振光透射率为19%，且位于该入射光光谱透射曲线中的波峰处；当右旋偏振光入射，纳米薄膜对光偏振态转换成的左旋偏振光透射率为1.9%，且位于该入射光光谱透射曲线中的谷处。该发明中增强非对称传输的纳米薄膜的设计可以使得两种偏振光转换的透射率曲线峰谷对应，产生较大的AT信号。
图如4为本实施例的非对称传输曲线图，增强非对称传输的纳米薄膜实验组的非对称传输用实心方格点曲线表示，矩形孔纳米薄膜对照组的非对称传输用空心圆形点曲线表示。该发明中增强非对称传输的纳米薄膜的设计使得左右旋偏振光转换的透射率在690nm处峰谷对应，从而激发出图4中690nm波段高效的非对称传输效应，AT信号高达17%。而矩形孔纳米薄膜对照组的非对称传输效应为10%。对本实施例中的纳米单元与矩形孔纳米单元进行面积增长率公式计算： l = 520nm，w = 200nm，r = 60nm,入上述公式中，可得出面积增长率为23%。而对应的平面直角半圆孔金纳米薄膜与矩形孔金纳米薄膜对比的非对称传输增长率也可计算可得出AT增长率为70%。当通过本发明的平面直角半圆孔金纳米薄膜设计，可以通过半圆孔对矩形孔面积进行23%的微小调整，实现70%有效AT增强，高达约3倍的增强非对称传输信号的效果。
在本实施例中，可以通过半圆孔面积的微调实现对本发明非对称传输效应的大幅度提高，且远远大于一般平面结构的AT效应，这对于非对称传输器件的设计及非对称传输效应的提高具有很大的指导意义，具有很强的推广和使用价值。
如图5为本实施例在690nm波段处不同偏振光入射该结构激发的电场分布图。图5（a）为左旋偏振光入射激发电场图。在平面直角半圆孔金纳米薄膜上，电荷积聚主要分布于半圆孔突起位置，电流主要由半圆孔流向相邻纳米单元的半圆孔，阵列间纳米单元的耦合主要由半圆孔突起位置激发增强。由于电荷积聚及电流作用而形成透射峰。
图5（b）为右旋偏振光入射激发电场图。在纳米薄膜上，电荷积聚主要分布于矩形孔长边位置，电流方向沿着矩形孔长边上流动，阵列间纳米单元的耦合主要由矩形孔长边激发，由于电荷积聚极强因而形成透射谷。在690nm波段处，不同偏振光激发处的透射峰谷相互对应，实现了高效的非对称传输，高达17%。并且，半圆孔突起对左旋偏振光入射下纳米单元的耦合起到主导作用，实现通过半圆孔微调矩形孔面积，增强非对称传输效应的目的。
本实施例还公开了增强非对称传输的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电子束负胶SU-8后，放置在热板上烘烤；
步骤二、曝光:对所述步骤一烘烤后的基底，用图形发生器设计增强非对称传输的纳米薄膜的结构图形，扫描电子显微镜(FEI)曝光电压选择20KV，spot选择5.0，曝光剂量400uc/cm2(微库每平方厘米)，步距选择20nm，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，室温条件下，将步骤四中曝光好的样品放入显影液（四甲基二戊酮与异丙醇体积比3:1配合制成）中浸泡显影，显影液从-15℃冰箱中取出在室温下立刻使用，显影时间控制在恒定时间60s；其中，在显影时间确定下，图形的精度与曝光剂量成线性关系，60s时曝光剂量400uc/cm2最好。再放入定影液中浸泡，定影液为异丙醇，时间不少于60s。最后放置在热板上烘烤，150℃的热板上，烘烤时间为 (3-15min)即可；热板放置在超净室内的通风厨处（尘埃颗粒少，利于有机物挥发），热板的温度精度正负1℃；
步骤四、真空镀膜:将所述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，最后进行吹干，得到平面金纳米薄膜。
其中：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。步骤四中蒸镀钛的厚度为10nm，蒸镀金的厚度为80nm。步骤一中甩电子束负胶SU-8的厚度为200nm。基底为ITO导电玻璃，所述ITO玻璃的透射率大于83%，用来测透射图像。吹干步骤采用的是氮气吹干或洗耳球吹干。
本实施例提供的增强非对称传输的纳米薄膜，不同圆偏振光通过该结构可以得到不同效果的偏振态转化，可指导设计偏振和方向敏感分束器、偏振旋转器、偏振态选择等装置。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，可以实现增强非对称透射特性，并且，通过半圆孔微调矩形孔面积，利用半圆孔的突起增强平面间矩形孔的耦合而实现高效的非对称传输增强，高达约3倍的效果，也对实验制备、仪器选择与理论研究上具有很好的指导意义。
Claims (10)
1.一种增强非对称传输的纳米薄膜，由多个相同的纳米单元按矩形周期阵列排布构成，其特征在于：
所述纳米单元为方形体；所述纳米单元上设有一通孔；所述通孔由一矩形孔和四个相同的半圆孔组成；所述四个半圆孔分布于矩形孔的外侧；所述每个半圆孔直径d分别与其所对应的矩形孔边重合。
2.如权利要求1所述的增强非对称传输的纳米薄膜，其特征在于：所述半圆孔直径d不大于所述矩形孔的短边长度w。
3.如权利要求2所述的增强非对称传输的纳米薄膜，其特征在于：所述矩形孔的长边与X方向之间具有一夹角α；所述夹角α为0°～180°。
4.如权利要求3所述的增强非对称传输的纳米薄膜，其特征在于：所述纳米单元由贵金属材料制成。
5.如权利要求1-4任一项所述增强非对称传输的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:对所述步骤一烘烤后的基底，用图形发生器设计如权利要求1-4任一项所述增强非对称传输的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，最后放置在热板上烘烤；
步骤四、真空镀膜:将所述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，再依次蒸镀钛和贵金属，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，最后进行吹干，得到平面纳米薄膜。
6.如权利要求5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。
7.如权利要求6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8~15nm，蒸镀贵金属的厚度为70~90nm。
8.如权利要求7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180~220nm。
9.如权利要求8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%。
10.如权利要求9所述的制备方法，其特征在于：所述吹干步骤采用的是氮气吹干或洗耳球吹干。
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