石墨烯-金屬復(fù)合納米結(jié)構(gòu)的制備及其表面等離激元特性研究.pdf

1、相比于傳統(tǒng)貴金屬等離激元，石墨烯等離激元由于其優(yōu)異的亞波長光限制、低損耗和可調(diào)諧紅外表面等離激元共振等性質(zhì)，為包括光伏器件、光調(diào)制、非線性光學(xué)和紅外光譜傳感檢測等應(yīng)用提供了可能。石墨烯納米結(jié)構(gòu)的等離激元可以直接由體光束激發(fā)，但本征石墨烯納米結(jié)構(gòu)陣列，如納米帶、納米點和納米環(huán)，其表面等離激元表現(xiàn)出窄譜共振及增強因子低的局限。理論研究表明，石墨烯與金屬的復(fù)合納米結(jié)構(gòu)具有通過將光場限制在衍射極限以下來增強光-物質(zhì)相互作用的優(yōu)點，有望幫助改進(jìn)石

2、墨烯等離激元器件的效率。對于石墨烯-金屬復(fù)合納米結(jié)構(gòu)的研究不僅可以進(jìn)一步深化探索石墨烯的表面等離激元性質(zhì)，而且可用于特殊功能化的應(yīng)用，如等離激元增強光探測器、傳感器和太陽能電池等。特別地，基于石墨烯等離激元共振的表面增強紅外光譜，可用于髙靈敏傳感檢測應(yīng)用。
　　本論文首先構(gòu)建石墨烯薄膜與金屬納米顆粒的復(fù)合結(jié)構(gòu)，探索金屬納米顆粒對石墨烯薄膜的摻雜和光學(xué)性質(zhì)影響。然后構(gòu)建石墨烯納米結(jié)構(gòu)陣列與金屬納米顆粒的復(fù)合結(jié)構(gòu)，研究其等離激元性能，

3、并探明金屬納米顆粒對石墨烯等離激元性能的調(diào)控。具體內(nèi)容歸納如下：
　　1.通過將化學(xué)氣相沉積法生長的石墨烯轉(zhuǎn)移至目標(biāo)襯底，使用熱蒸發(fā)沉積金屬銀的摻雜方法來調(diào)控石墨烯的載流子導(dǎo)電類型。本工作已經(jīng)通過在轉(zhuǎn)移的CVD石墨烯上熱沉積銀納米材料制備出石墨烯-金屬納米銀復(fù)合結(jié)構(gòu)，獲得了具有納米級光滑度（RMS粗糖度?1.4 nm)的大面積（厘米級）均勻的n型摻雜石墨烯。此摻雜方法具有操作簡單且高效摻雜的優(yōu)勢。金屬銀摻雜的石墨烯在約500nm處

4、表現(xiàn)出大的吸收系數(shù)（α＞105cm-1),這使得它可用于各種應(yīng)用，特別是作為光電子學(xué)中的潛在候選材料。
　　2.通過一種低成本、簡單髙效自上而下的嵌段共聚物自組裝方法制備石墨烯納米點結(jié)構(gòu)陣列，研究了在中紅外光譜區(qū)域的石墨烯等離激元共振吸收。同時，為了進(jìn)一步增強其對光的吸收能力，我們采用一種快速熱退火金膜制備金納米顆粒的方法，制備出石墨烯納米點結(jié)構(gòu)陣列-金納米顆粒的復(fù)合結(jié)構(gòu)。通過測量其紅外吸收，我們發(fā)現(xiàn)引入金納米顆粒可以拓寬并增強石

5、墨烯等離激元共振。此外，利用此石墨烯-金復(fù)合等離激元結(jié)構(gòu)作為紅外光譜增強基底，實驗獲得了吸收振動10倍的信號增強以及對亞單原子層P E O分子的高靈敏檢測，同時表現(xiàn)出對比單一石墨烯納米點結(jié)構(gòu)陣列更為寬譜增強的檢測能力，可具有安全和健康相關(guān)生物、化學(xué)傳感檢測潛力。
　　3.使用有限時域差分法（FDTD)模擬石墨烯納米點結(jié)構(gòu)陣列中費米能級調(diào)節(jié)對其等離激元性能的影響，發(fā)現(xiàn)通過對石墨烯進(jìn)行摻雜改變其費米能級，可實現(xiàn)對石墨烯等離激元共振的有

6、效調(diào)諧。系統(tǒng)研究金屬納米顆粒對石墨烯等離激元的影響，發(fā)現(xiàn)金屬納米顆粒的位置變化具有不同程度調(diào)控等離激元共振的作用，且表現(xiàn)出一種寬頻的等離激元共振性能。
　　4.采用溫和的常壓溶劑熱法，以乙二醇作為溶劑，改變銅、硒源的摩爾比，成功合成石墨烯之外的其他二維納米材料（銅硫族化物），最終獲得分別具有1.73eV及1.91eV的直接帶隙的六方晶系的CuSe和斜方晶系的CmSe的銅硫族化物。研究發(fā)現(xiàn)這種材料在可見光區(qū)域具有廣泛的直接帶隙吸收，