基于聚焦离子束刻蚀的三维表面等离子纳米结构的研究

Using focused ion beam milling, a new novel fabrication method based on transverse and longitudinal or ±45°dual-milling process is investigated to obtain three dimensional plasmonic crystal nanostructures and construct fascinating metamaterials with negative refractive index. Detailed and systemic research and characterization on the optical properties of the fabricated three dimensional nanostructures will be carried out using finite-difference time-domain calculations and UV-Vis-NIR microspectrometers. Moreover, the compatibility of the fabricated three dimensional nanostructures with liquid crystals will be explored to achieve actively tunable optical devices and further broaden the application scope.

以聚焦离子束刻蚀系统为制备工具，研究通过使用简单的横向和纵向或±45°两次刻蚀的方法得到三维表面等离子体纳米结构并构建新型负折射率超材料，进一步在理论计算（有限时域差分法）和实验测试（紫外-可见-近红外显微分光光度计）两方面对相应的三维结构的光学特性进行系统的研究和表征。此外，深入挖掘探索相关三维纳米结构与液晶等电光材料的兼容性，得到主动可调的光学器件并进一步扩大其应用范围。

本项目自获批以来，项目负责人及其团队成员迅速搭建起以聚焦离子束刻蚀系统为制备工具、以傅里叶变换红外光谱分析仪和全光谱暗场显微分光光度计为测试工具的研究平台，详细研究并验证了通过使用两次刻蚀的方法得到三维表面等离子器件的可行性。首先使用聚焦离子束系统的刻蚀功能制备得到二维纳米孔阵列，再将样品转过一定的角度进行二次刻蚀从而得到空气隔层，最终形成三维层堆纳米孔结构。随着纳米科技的普及和日益成熟，三维纳米功能器件已经在不同的领域取得了广泛的应用。本项目使用高占空比、超小间距的三维纳米结构与ATR-FTIR相结合的方法可以大幅度提高相关器件在复杂水体检测上的应用（大幅度提高检测精度），还可以通过光谱分析解决传统检测方法检测物质单一的缺点，从而实现多种物质的同时检测，包括有机污染物和重金属离子（如汞，Hg2+和铅Pb2+等）。使用三维金属纳米结构与待检水体相结合时，待检物质由于吸附在纳米金属结构上，在光谱检测过程中同被激发的表面等离子体相互作用，当共振的波段和待检物质的特征峰有重叠部分时，增强光谱检测的信号，从而起到加强的效果。其次使用聚焦离子束系统在±45 度两个方向上进行交叉刻蚀从而最终得到三维结构。在制备过程中还要不断扫描且根据当时的刻蚀情况进行各种参数调整（如离子束的overlap, dwell time 等），力求使得系统达到最佳状态。此外，对于不同的被刻蚀材料和需要得到的微纳结构，系统最终所达到的最佳状态（即各种参数最优化时）很可能是不同的，这主要取决于被刻蚀材料的各种属性（如硬度）和所需结构的尺寸大小及刻蚀深度。本项目解决了由再沉积效应引起的纳米柱侧壁倾斜的问题，通过在不同方向上对纳米柱进行再塑形而改进其轮廓并进一步改善其光学特性。三维纳米器件具有可以和液晶等电光材料相兼容的巨大优势，液态的电光材料可以有效进入镂空部分从而改变结构的光学参数（如有效折射率、介电常数等），通过外加电场/光场可以实现主动可调的光学器件（如光学开关等）。