金属-介质-半导体复合纳米结构光波导分束器设计和制备

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1、学校代号10532学号S12072036分类号O4密级不保密硕士学位论文金属-介质-半导体复合纳米结构光波导分束器设计和制备学位申请人姓名李耘云培养单位物理与微电子科学学院导师姓名及职称潘安练教授学科专业物理学研究方向纳米光子学论文提交日期2015年05月学校代号：10532学号：S12072036密级：不保密湖南大学硕士学位论文金属-介质-半导体复合纳米结构光波导分束器设计和制备学位申请人姓名李耘云导师姓名及职称潘安练教授培养单位物理与微电子科学学院专业名称物理学论文提交日期2015年05月20日论文答辩日期2015年月日答辩委员会主

2、席TheDesignandFabricationofWaveguideBeamSplitterbasedonMetal-dielectric-semiconductorHybridStructurebyLiYunyunB.S.(HunanUniversity)2015AthesissubmittedinpartialsatisfactionoftheRequirementsforthedegreeofMasterofScienceinPhysicsintheGraduateSchoolofHunanUniversitySuperviso

3、rProfessorPanAnlianMay,2015湖南大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权

4、湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密□，在______年解密后适用本授权书。2、不保密□。√（请在以上相应方框内打“√”）作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日I硕士学位论文摘要对于集成光子芯片而言，微小型的光学部件是必要的基础元件。分束器是一种非常重要的光学元件，并经常被使用在光信息处理，光学计算，全息摄影和计量学中。表面等离激元（surfaceplasmons，SPs）——由电磁辐射激发的金属表面的自由电子的集体连续振荡所

5、形成的电磁波，具有一系列的光学特性，例如对光的超强限域性，电磁场增强特性，对光的偏振敏感性等。因此低维的贵金属纳米结构，例如纳米颗粒，纳米线和纳米薄膜，在众多领域具有广阔的应用，其中包括表面增强光谱，光化学传感，光信息处理等。但是由于金属本身所固有的内在损耗很大，单纯地依靠表面等离激元来传递光学信号似乎并不是一个理想的选择。而低维的半导体纳米结构由于其特殊的光学性质和在纳/微米级光学器件中潜在的应用前景而成为装配紧凑型光学元件的重要的结构单元。尤其是通过化学气相沉积法（CVD）合成的一维的纳米线和纳米带，具有良好的单晶结构，高折射率和大

6、的光学非线性性等特殊性质，为实现在亚波长的尺度上限域和波导光提供了良好的平台。利用低维半导体纳米材料内的波导光与低维金属纳米材料耦合产生表面等离激元的作用或许能产生新颖或者更丰富的光学效应，为制备具有更优良性能的光学元件开辟新的道路。当然，一些将半导体纳米材料与金属纳米颗粒相结合的混合纳米结构已经被一些科研人员所制备出来，但是关于结合一维半导体材料和金属纳米颗粒的光波导分束器却还未见报道。因此，我们设计和制备了一种基于新型的类似于三明治纳米结构的金属-电介质-半导体复合纳米结构，实现了通过金属纳米颗粒调制半导体纳米带中波导光的功能。1.

7、用化学气相沉积法（CVD）生长出高质量的硫化镉（CdS）纳米带，将生长的CdS纳米带分散在刻有数字标记的SiO2/Si衬底上，随后用原子层沉积法在样品表面镀一层HfO2层，再用电子束曝光（EBL）在样品表面制备一定尺寸的金纳米圆盘阵列，光学测试结果表明这种复合纳米结构使得CdS纳米带中的波导光在纳米带的端部出射时被分裂成多个光点，且出射光点的数量可由这种复合纳米结构的尺寸和结构参数来控制。2.用基于有限元方法的数值模拟软件（COMSOLMultiphysics）进行了一系列相应的数值模拟，模拟结果表明CdS纳米带中的波导光激发纳米带上方

8、的金纳米圆盘阵列产生局域表面等离激元，由于局域表面等离激元具有较大的欧姆损耗，因此金纳米圆盘阵列下方的波导光被减弱，从而使得纳米带中的波导光相当于沿着被金纳米圆盘分开的狭缝传播形成多个波导光束，当这些被分裂