光学导波纳米线及其传感应用

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将光纤技术与纳米技术结合起来,实现尺寸更小、性能更佳、集成度更高的纳米光子学器件,是当前纳米光子学领域研究的一大热点。本论文着眼于光学纳米线的独特性质,研究制备新型纳米线,发现其新的物理现象和效应,并将其应用于新的微纳光子器件中,从而为解决科学和技术中的难题提供新的思路。在本工作的第一部分,研究了光学纳米线的导波光学特性。首先通过激发光光直接照射法和导波激发法两种作用方式的比较,发现导波激发法可以使光与纳米线的作用大大增强。然后研究了光在光学单纳米线里面传输时的一些独特的光学特性,如大范围的倏逝场调控能力,很高的空间分辨率,模式偏振的调控能力及异常波导色散和表面增强效应等特性,并指出这些特性在传感等领域中的潜在应用。本文第二部分研究了高分子纳米线及其气体传感应用。首先从高分子溶液中拉制出低损耗的高分子纳米线,并研究了其导波光学特性。然后研究了掺有荧光染料的纳米线的光学特性,发现导波激发能使纳米线的发光强度提高几个数量级。最后利用高分子纳米线搭建了光学气体传感器。在这个传感器中,利用一根拉锥微纳光纤通过倏逝波耦合将信号光输入高分子纳米线,并用另一根拉锥微纳光纤耦合输出,从而形成传输光信号变化的光学气体传感器。该传感器具有响应速度快、灵敏度高、小型化和结构简单等特点。如单根溴百里香酚蓝掺杂的PMMA纳米线可以检测到ppm量级的NH3,响应速度比传统薄膜传感器快1-2个数量级。另外,还使用双波长检测技术,在单根PANI/PS内米线上实现了氨气和湿度的选择性检测。在本文第三部分,通过纳米压印技术制备了高分子微纳光纤布拉格光栅。该制备方法简单高效,成本低,适宜于大批量生产。利用压印的PMMA光纤光栅进行了应变传感,发现比传统二氧化硅光纤光栅的灵敏度高。同时,还对应力传感中的布拉格波长蓝移现象作了定性的解释。在本文第四部分将光通过倏逝波耦合法输入到半导体纳米线里,研究纳米线的光电导效应。发现相对于体材料来说,半导体纳米线中的非本征光电导效应得到很大的增强。同时当入射光波长增加时,发现了负光电导效应和光电导淬灭效应。通过研究光电导与输入光功率的关系和时间响应特性,对这些非本征光电导效应做了定性分析和解释。最后从昆虫小眼的光检测结构中受到启发,利用在高温生长过程中移动蒸发源的方法,制备了类仿生结构的带隙梯度联系变化的CdSSe纳米线。基于本征光电导效应和光电导淬灭效应,在这些带隙梯度变化的CdSSe纳米线中实现了从可见到近红外区的宽光谱响应。在本文第五部分,提出用一维金属纳米线来制备表面等离激元(SPP)型传感器。首先对比了介质纳米线和金属纳米线中导波特性,指出了SPP型传感器的高灵敏和快响应潜在优势。然后把银纳米线放在对湿度敏感的PAM薄膜上,发现银纳米线对外界湿度的响应时间在几个ms量级,比PAM纳米线对湿度的响应快1到2个数量级。接着利用表面镀有钯膜的金纳米线来对氢气进行检测,发现金纳米线中1530nm探测光的透过率变化达到13dB,大大高于目前报道的基于钯的光学传感器的结果。最后研究了单晶的钯纳米线对氢气的响应,发现钯纳米线中有明显的滞后现象,在同一氢气浓度下的光强差可达20dB。该现象表明单晶钯纳米线有很好的储氢特性,有可能发展基于SPP的逻辑线路器件。
致谢第3-4页
摘要第4-6页
Abstract第6-7页
第1章 绪论第11-29页
    1.1 引言第11页
    1.2 纳米线传感器第11-19页
        1.2.1 基于电学检测的纳米线传感器第11-16页
        1.2.2 基于光学检测的纳米传感器第16-19页
    1.3 纳米光电探测器第19-23页
        1.3.1 无机半导体纳米线光电探测器第20-22页
        1.3.2 有机半导体纳米线光电探测器第22-23页
    1.4 光学纳米线第23-27页
        1.4.1 玻璃纳米线第24-25页
        1.4.2 半导体纳米线第25-26页
        1.4.3 高分子纳米线第26-27页
        1.4.4 金属纳米线第27页
    1.5 本论文的主要工作第27-29页
第2章 光学单纳米线的导波特性第29-40页
    2.1 光学纳米线与光的相互作用方式第29-30页
    2.2 倏逝波耦合第30-31页
    2.3 导波光学单纳米线的光学特性第31-39页
        2.3.1 传播常数第31-33页
        2.3.2 电磁场分布第33-36页
        2.3.3 空间分辨率第36-37页
        2.3.4 模式偏振的调控第37-38页
        2.3.5 异常波导色散第38-39页
        2.3.6 表面能量增强效应第39页
    2.4 本章小结第39-40页
第3章 高分子纳米线及其传感应用第40-73页
    3.1 引言第40-41页
    3.2 高分子纳米线的制备及表征第41-43页
    3.3 高分子纳米线的微纳操作第43-45页
    3.4 高分子纳米线的光输入和输出第45-46页
    3.5 高分子纳米线的导波光学特性第46-48页
    3.6 高分子纳米线的荧光特性研究第48-55页
    3.7 传感实验设备制作第55-58页
    3.8 聚丙烯酰胺单纳米线湿度传感器第58-60页
        3.8.1 传感器制作第58-59页
        3.8.2 实验结果及讨论第59-60页
    3.9 澳百里香酚蓝掺杂的聚甲基丙烯酸甲脂单纳米线氨气传感第60-64页
        3.9.1 传感器制作第61-62页
        3.9.2 实验结果及讨论第62-64页
    3.10 聚苯胺/聚苯乙烯单纳米线二氧化氮传感器第64-66页
        3.10.1 传感器制作第65-66页
        3.10.2 实验结果及讨论第66页
    3.11 聚苯胺/聚苯乙烯单纳米线纳米线湿度和氨气的选择性检测第66-72页
        3.11.1 传感器制作第67-68页
        3.11.2 实验结果及讨论第68-72页
    3.12 本章小结第72-73页
第4章 高分子微纳光纤布拉格光栅及其传感应用第73-84页
    4.1 引言第73页
    4.2 微纳光纤布拉格光栅制作第73-76页
    4.3 光栅形貌结构表征第76-77页
    4.4 光栅光谱特性第77-80页
    4.5 应变传感及结果讨论第80-83页
    4.6 本章小结第83-84页
第5章 半导体单纳米线及其光电特性研究第84-118页
    5.1 引言第84-85页
    5.2 硫化镉纳米线的非本征光电导效应第85-92页
        5.2.1 硫化镉纳米线制备及表征第85-86页
        5.2.2 硫化镉纳米线导波光学研究第86-87页
        5.2.3 硫化镉单纳米线光电导器件制作第87-88页
        5.2.4 硫化镉单纳米线光电导实验结果第88-92页
    5.3 硫化镉纳米线中的负光电导效应第92-93页
    5.4 硫化镉纳米线里面的光电导淬灭效应第93-95页
        5.4.1 引言第93页
        5.4.2 实验结果及讨论第93-95页
    5.5 硒化镉纳米线的非本征光电导效应第95-96页
        5.5.1 硒化镉纳米线制备及表征第95-96页
        5.5.2 实验结果及讨论第96页
    5.6 硒化镉纳米线里面的光电导淬灭效应第96-98页
    5.7 亚带隙光电导现象的机理解释第98-103页
    5.8 成分梯度变化的硫硒化镉纳米线制备与表征第103-117页
        5.8.1 昆虫复眼中的微纳光波导及其导波光探测第103-107页
        5.8.2 硫硒化镉纳米线制备及标征第107-113页
        5.8.3 硫硒化镉纳米线生长机理第113-114页
        5.8.4 导波硫硒化镉纳米线的宽光谱响应第114-116页
        5.8.5 导波硫硒化镉纳米线的波长检测第116-117页
    5.9 本章小结第117-118页
第6章 金属纳米线及其传感应用第118-128页
    6.1 引言第118-119页
    6.2 基于金属纳米线的SPP传感机理第119-120页
    6.3 基于银纳米线的SPP湿度传感器第120-123页
    6.4 基于镀钯的金纳米线的SPP氢气传感器第123-125页
    6.5 基于钯纳米线的P-SPPS氢气传感器及储氢器件第125-126页
    6.6 本章小结第126-128页
第7章 总结与展望第128-131页
参考文献第131-140页
攻读学位期间发表的学术论文第140-142页
国际口头会议报告第142页
发明专利申请及授权第142页
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