【开题报告】金属介质微纳结构中的SPP效应及其透射特性研究

MIM波导耦合谐振腔系统中Fano共振效应及其传感特性研究摘要表面等离极化激元（Surface plasmon polaritons,SPPs）为金属表面自由电子与入射光子相互作用产生的沿金属表面传播的电荷密度波，其具有突破光衍射极限的能力，使得在亚波长尺度对光进行操作成为可能。

随着研究的不断深入，基于SPPs的光子器件已经被广泛应用于光开关、滤波器、生化传感等领域。

基于金属-介质-金属（Metal-Insulator-Metal，MIM）波导的SPPs微纳传感器因具有体积小、灵敏度高和易于集成等优点引起了人们的广泛关注。

最近研究表明基于波导耦合谐振腔结构能够产生一些新颖的非线性光学效应，如Fano共振、电磁诱导透明。

Fano 共振效应是一种弱耦合作用，其对结构参量和周围介质的变化异常敏感。

因此，利用SPPs波导耦合谐振腔结构实现的Fano共振效应来设计高灵敏SPPs传感器是一种非常有希望的途径。

本论文基于耦合模理论（Coupled Mode Theory,CMT）和有限元方法（Finite element method,FEM），研究了MIM波导耦合谐振腔结构中的Fano共振现象，并设计了三种基于Fano共振效应的高灵敏折射率传感器，主要工作简述如下：1、设计了MIM波导耦合齿形和圆环形谐振腔结构，利用有限元方法仿真分析了该结构传播特性和折射率传感特性，结果在波导耦合谐振腔结构中产生了Fano共振。

研究结果表明该结构折射率灵敏度为1057nm/RIU，FOM值为1016。

基于耦合模理论详细分析了该耦合结构Fano共振的产生机理。

此外，设计了两种衍生结构，在衍生结构的透射光谱中观察到了多个Fano共振峰，进一步研究了衍生结构的稳态磁场分布与结构参数对Fano共振线型的影响。

2、设计了MIM波导耦合矩形和圆环形谐振腔结构，采用有限元方法研究了该结构的传播特性，结果在透射光谱中观察到了非对称的Fano共振线型。

散粒噪声用于研究超导体性质的实例综述1北京大学物理学院本科毕业论文作者崔治权指导老师危健散粒噪声用于研究超导体性质的实例综述【摘要】 : 散粒噪声是一类重要的噪声信号 , 主要由载流子的离散性造成 ,在载流子通过隧道结时表现得最为明显, 人们可以通过对它的分析获得关于介观系统某些性质的信息, 这些信息往往又是从电导等物理量的平均值测量中不易获得的。

本文将主要介绍近年来在常规以及高温超导体中 , 利用散粒噪声信号研究其性质的典型实例 , 以期对于散粒噪声的特性及其用于研究凝聚态特别是超导体性质的思路和手段进行全面准确的把握 , 从而为实验室下一步研究高温超导体 YBCO 隧道结中散粒噪声信号提供一定的帮助。

【关键词】 :散粒噪声,常规超导体, 高温超导体, 隧道结 ,电输运性质 2北京大学物理学院本科毕业论文作者崔治权指导老师危健目录一、引言 (4)二、散粒噪声的性质及表征..…………………………………………… 51.噪声信号的一般数学描述..................................................................... 52. 热噪声简介 (7)3. 闪烁噪声简介 (7)4. 散粒噪声的产生机制及数学描述 (8)4.1 单电子隧穿一维势垒.................................................................................9 4.2 单电子随机入射一维势垒 (9)4.3 多电子随机入射 (9)三、应用散粒噪声信号研究半导体性质的几个范例........................ 101. 分数量子霍尔效应 (10)2.SNT (shot noise thermometer )标准低温温度计.................................... 133. 量子混沌微腔中的电子散射...............................................................144.小结 (16)四、利用隧道结中散粒噪声研究常规超导体特性的实例............... 171. 超导简介 (17)2. 超导隧道结中电流散粒噪声应用的两个实例....................................17 2.1 无序金属- 超导体隧道结中散粒噪声的特性 (18)2.2 SNS 隧道结中 MARMultiple Andreev Reflection 效应引起的散粒噪声激增 (21)3. 常规超导体中其他未及说明的实例................................................234.小结 (23)五、利用隧道结中散粒噪声研究高温超导体特性的实例……… 241. 高温超导简介…………………………………………………………………… 242. 高温超导隧道结中的散粒噪声………………………………………………… 25 2.1 d- 波超导体 SN 结中散粒噪声与 s- 波超导体中散粒噪声的区别………………………… 25 2.2 YBCO 双晶结中散粒噪声的研究..................................................................283.小结 (29)六、总结与讨论………………………………………………………… 29 3北京大学物理学院本科毕业论文作者崔治权指导老师危健七、参考文献 (30)八、致谢 (31)九、原创性和使用授权说明……………………………………………… 32 4北京大学物理学院本科毕业论文作者崔治权指导老师危健【正文】 :一、引言半导体器件中的噪声信号, 实际上就是指半导体中所通电流或两端测得的电压不会一直保持一个不变的值, 而是会随时间围绕着平均值发生一定的上下波动,这种波动有时甚至会比较剧烈。

金属薄膜的生长机制及其微观结构分析金属薄膜是一种具有重要应用价值的材料，它具有良好的光学、电学、磁学和力学性质，因此广泛用于光电器件、电子器件、传感器等领域。

金属薄膜的生长机制和微观结构分析对于理解其性质和应用具有重要意义。

本文将分别从生长机制和微观结构两方面进行探讨。

一、金属薄膜的生长机制金属薄膜的生长机制主要分为物理气相沉积、化学气相沉积和物理溅射等几种方式。

其中，物理气相沉积是最常用的一种方法，它通过在真空条件下向基底表面输送高温金属原子束，使其在表面上扩散并沉积形成薄膜。

物理气相沉积的主要参数包括原子束能量、流量、角度和基底温度等。

其中，原子束能量和流量对于薄膜的结构和性质具有直接影响，角度和基底温度则影响薄膜的形貌和结晶度等方面。

化学气相沉积是指通过在真空或气氛条件下将金属有机化合物分解产生金属原子，利用其在基底表面上扩散并反应形成化合物或金属薄膜。

化学气相沉积的主要参数包括反应气体的成分和流量、反应温度和压力等。

其中，反应气体的成分和流量对于膜层的化学组成和结构具有重要影响，反应温度和压力则影响反应速率和膜层的晶体形貌。

物理溅射是将固态金属靶材瞬间加热蒸发，利用原子间的碰撞将靶材上的金属原子弹出，然后扩散到基底表面并沉积成膜。

物理溅射的主要参数包括靶材种类和温度、离子束能量和流量等。

其中，靶材种类和温度对于溅射原子的种类和比例具有重要影响，离子束能量和流量则决定了薄膜的密实性和厚度等特性。

二、金属薄膜的微观结构分析金属薄膜的微观结构对于其性质和应用具有重要影响。

常用的表征技术包括扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射和拉曼光谱等。

以下分别介绍其中的几种技术及其应用。

扫描电子显微镜（SEM）可以对薄膜表面形貌及其结构的微观形态进行观测和分析。

SEM能够以高分辨率的方式观察膜层表面的形貌和微观结构，并对薄膜的颗粒大小、晶体成分、晶粒大小和晶体形貌等进行定性和定量分析。

透射电子显微镜（TEM）可以将金属薄膜的微观结构观察到纳米级别。

金属和p型半导体接触的肖特基二极管阳极1.引言1.1 概述概述部分应该包括对于金属和p型半导体接触的肖特基二极管阳极的背景和重要性进行简要介绍。

以下是一个可能的概述部分的内容：概述金属和半导体的接触是电子器件中极为重要的一个领域，而肖特基二极管作为金属和p型半导体接触的一种特殊形式，在微电子技术中具有广泛的应用前景。

肖特基二极管在电子设备中扮演着关键的角色，例如在功率放大器、开关电源和射频设备等电路中被广泛采用。

本文将重点研究金属和p型半导体接触的肖特基二极管阳极的特性。

首先，我们将对金属和p型半导体的基本特性进行简要介绍。

由于金属具有良好的电导性能和稳定性，而p型半导体则具有电子空穴载流子的特性，二者的接触将引发有趣的物理现象。

我们将探讨接触形成的过程以及其对于肖特基二极管性能的影响。

进一步，我们将详细探究肖特基二极管的工作原理。

肖特基二极管与传统的PN结二极管不同，其通过金属和p型半导体的接触形成电子势垒，实现了更高的导通速度和更低的漏电流。

我们将讨论肖特基二极管的导通特性以及与常见二极管的比较。

最后，我们将总结金属和p型半导体接触的肖特基二极管阳极的特性，并探讨其在现实生活中的应用前景和意义。

了解肖特基二极管的特性和性能，对于研发新型电子器件和解决实际问题具有重要的指导意义。

通过本文的研究，我们希望能够深入理解金属和p型半导体接触的肖特基二极管阳极的特性，为相关领域的进一步研究和应用提供有益的参考和指导。

文章结构部分的内容可以编写如下:1.2 文章结构本文将按照如下结构展开对金属和p型半导体接触的肖特基二极管阳极的研究和探讨。

首先，引言部分将对本研究的概述进行阐述，介绍金属和p型半导体接触的肖特基二极管阳极的研究背景和意义。

然后，文章将给出具体的研究目的，明确本文研究的目标和方向。

接着，正文部分将分为两个主要部分来讨论金属和p型半导体接触的肖特基二极管阳极。

首先，我们将详细探讨金属与p型半导体接触的基本原理和机制，解释二者接触时所涉及的电子能级和表面态的形成过程。

亚波长金属孔阵表面等离子体增强透射现象的研究的开题报告题目：亚波长金属孔阵表面等离子体增强透射现象的研究一、研究背景和意义亚波长结构具有独特的光学特性，其尺寸和形态可以调控电磁波耦合效应，从而实现对光学信号的调控。

通过利用亚波长结构的表面等离子体特性，在吸收、荧光、单分子检测等方面具有广泛的应用前景。

在亚波长表面结构中，金属孔阵是一种常用的结构，具有可重复制造的优点，因而被广泛应用于等离子体增强光谱技术、生物传感和荧光成像等领域。

表面等离子体增强透射（Surface Plasmon Enhanced Transmission, SPT）是表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance, SPR）技术的一个重要分支，可用于增强透射光信号并提高光学传感器的信号强度和检测灵敏度。

金属孔阵结构的SPT现象受到了广泛的关注和研究，但对其产生的机理和调控方式还存在一定的争议和不清楚。

因此，通过对亚波长金属孔阵表面等离子体增强透射现象的研究，可以深入了解其机理和调控方式，为其在生物传感和光学传输等领域的应用提供理论基础和技术支撑。

二、研究内容和方法本研究拟采用理论分析和实验研究相结合的方法，具体内容如下：（1）理论分析：建立亚波长金属孔阵表面等离子体增强透射的理论模型，通过求解Maxwell方程，计算出透过率与表面等离子体耦合场的关系，探索其产生机理和调控方式。

（2）实验研究：通过纳米光刻技术制备亚波长金属孔阵，利用激光光源和光学系统进行光学传输和透射光谱测量，研究其透过率与波长、孔阵结构、金属材料等因素的关系。

三、预期成果和意义本研究预期实现以下成果：（1）建立亚波长金属孔阵表面等离子体增强透射的理论模型，探索其产生机理和调控方式。

（2）通过实验研究，揭示透射光谱与孔阵结构、金属材料、波长等因素的关系。

（3）为亚波长金属孔阵在生物传感和光学传输等领域的应用提供理论基础和技术支撑。

四、研究计划本研究计划分为三个阶段：（1）研究亚波长金属孔阵表面等离子体增强透射的机理和调控方式，建立理论模型，制定实验方案，设计制备亚波长金属孔阵结构。

一、课题的目的和意义金属-有机骨架材料的起源最早可追溯到十八世纪初的普鲁士蓝配位化合物，普鲁士蓝是染料作坊中意外被发现的铁配合物，这是公认的第一个有记载的人工合成配位化合物1。

到二十世纪九十年代，随着结构测定等技术的发展和进步，配位聚合物得到了迅猛发展，一些具有大孔径、高比表面的配位聚合物相继问世。

在发展过程中，无机元素组成的材料由于其结构难以改变或修饰，单纯由无机物组成的孔道不能根据实际需要来控制其大小、形状以及物理化学，这大大影响其使用范围；有机物具有便于分子修饰的特点，但它们却在坚固性与稳定性等方面具有明显的缺点。

因此通过合理的设计，将无机和有机分子的特性相结合，构筑结构可塑、稳定、坚固的新型金属有机骨架材料，成为近期的研究热点。

之后的研究证明，这类新型配位聚合物具有一些不寻常的特性, 这些特性可能用于电、磁、光、传感器、手性拆分、分子开关等的设计和加工2-5，其中气体选择性吸附的性能特别突出6-8，具有巨大的发展前景和广阔的应用范围。

因此本项目拟合成得到具有分子识别功能的新型微孔金属-有机骨架结构，主要研究它对CO2气体小分子的识别效应及由此产生的CO2/N2、CO2/CH4高分离选择性，在空气、天然气等气体中分离CO2，在净化环境，减少温室效应等领域将有着重要意义。

项目进行过程中，将结合之前研究的成果和经验，发挥所在实验室的优势，选择本实验室合成的新型羧酸取代的芳香膦酸为配体，进行金属-有机开放式骨架材料的合成。

由于膦酸配体不同于羧酸配体，它们在去质子化条件、与金属的配位能力都不相同，因此对于反应条件的选择将较为困难，合成将更具有挑战性。

但是由于是多官能团的配体体系，将综合膦酸和羧酸配体的优点，得到结构更加多样的产品，有望形成层状、三维类沸石等多孔化合物。

自主合成的膦酸配体易于官能团化，引入氨基等基团或有机胺小分子后将得到有较高CO2吸附量的多孔材料，同时由于膦酸基团的亲水性和芳香基团的疏水性，所得到的材料将具有两性的孔道，在水、甲醇等常见溶剂的选择性分离领域将具有极大的优势和应用前景。

基于双表面等离子激元吸收的纳米光刻刘仿;李云翔;黄翊东【摘要】光刻技术(lithography)是微纳结构制备的关键技术之一.受限于光的衍射极限,传统光刻方法进一步缩小特征尺寸变得越来越难.表面等离子激元(surface plasmon polariton,SPP)作为光与金属表面自由电子密度振荡相互耦合形成的一种特殊电磁形式,具有波长短、场密度大、异常色散等特点,在突破传统光学衍射极限的研究和应用中具有重要的学术和实用价值.本文针对SPP在光刻胶中的非线性吸收及其在大视场纳米光刻中的应用进行了理论和实验探索.在回顾SPP概念的基础上,阐述了双SPP吸收的概念及其应用于纳米光刻的优势,明确了该效应具有与传统双光子吸收不同的内涵和特性.在800和400 nm飞秒激光的作用下,实现了基于双SPP吸收效应的周期干涉条纹,同时验证了双SPP吸收的阈值效应,通过控制曝光计量实现了图形线宽的调控,最小线宽小于真空光波长的1/10.利用SPP波长短、场增强的特点,并结合非线性吸收的阈值效应,单次曝光区域比纳米图形尺度大4—5个数量级,曝光区域的直径可达1.6 mm.同时制备出较为复杂的同心圆环结构.基于双SPP吸收独有的特性以及SPP丰富的模式,有望进一步在大光刻视场、超小尺度图形光刻技术上获得突破.%Lithography is one of most important technologies for fabricating micro- and nano-structures. Limited by the light diffraction limit, it becomes more and more difficult to reduce the feature size of lithography. Surface plasmon polariton (SPP) is due to the interaction between electromagnetic wave and oscillation of free-electron on metal surface. For the shorter wavelength, higher field intensity and abnormal dispersion relation, the SPP would play an important role in breaking through the diffraction limit and realizing nanolithography. In thispaper, we theoretically and experimentally study the optical nonlinear effect of SPP (two-SPP-absorption) in the photoresist and its application of nanolithography with large field. First, the concept and features of two-SPP-absorption are introduced. Like two-photo-absorption, the two-SPP-absorption based lithography is able to realize nanopatterns beyond the diffraction limit: 1) the absorption rate quadratically depends on the light intensity, which can further squeeze the exposure spot; 2) the pronounced power threshold provides a possibility for precisely controlling the linewidth by manipulating the illumination power. Nevertheless, unlike the two-photo-absorption lithography which focuses light onto a single spot and scans point by point, the two-SPP-absorption method could obtain the subwavelength field pattern by simply illuminating the plasmonic mask. The subwavelength field pattern due to the short wavelength of SPP would further result in the overcoming-diffraction-limit resist pattern. Besides, the highly concentrated SPP field leads to the strong electromagnetic field enhancement at the metal-dielectric interface, which could reduce the input power density of exposure source or enlarge the exposure area. Then the two-SPP absorption is realized under the illuminations of femtosecond lasers with vacuum wavelengths of 800 nm and 400 nm. Meanwhile, the interference periodic patternis realized and it is observed that the linewidth could be adjusted by controlling the exposure dose. The minimum linewidth of resist pattern is only one tenth of the vacuum wavelength. By utilizing the features of two-SPP-absorption, namely shorter wavelength, enhanced field and threshold effect, the lithographyfield could be of millimeter size, which is about four to five orders of magnitude larger than the characteristic size of nanostructure. Therefore, this two-SPP-absorption scheme could be used for large-area plasmonic lithography beyond the diffraction limit with the help of various plasmonic structures and modes.【期刊名称】《物理学报》【年(卷),期】2017(066)014【总页数】9页(P223-231)【关键词】表面等离子激元;纳米光刻;光学非线性;衍射极限【作者】刘仿;李云翔;黄翊东【作者单位】清华大学电子工程系, 信息科学与技术国家实验室, 北京 100084;清华大学电子工程系, 信息科学与技术国家实验室, 北京 100084;清华大学电子工程系, 信息科学与技术国家实验室, 北京 100084【正文语种】中文光刻技术(lithography)是微纳结构制备的关键技术之一.受限于光的衍射极限,传统光刻方法进一步缩小特征尺寸变得越来越难.表面等离子激元(surface plasmon polariton,SPP)作为光与金属表面自由电子密度振荡相互耦合形成的一种特殊电磁形式,具有波长短、场密度大、异常色散等特点,在突破传统光学衍射极限的研究和应用中具有重要的学术和实用价值.本文针对SPP在光刻胶中的非线性吸收及其在大视场纳米光刻中的应用进行了理论和实验探索.在回顾SPP概念的基础上,阐述了双SPP吸收的概念及其应用于纳米光刻的优势,明确了该效应具有与传统双光子吸收不同的内涵和特性.在800和400 nm飞秒激光的作用下,实现了基于双SPP吸收效应的周期干涉条纹,同时验证了双SPP吸收的阈值效应,通过控制曝光计量实现了图形线宽的调控,最小线宽小于真空光波长的1/10.利用SPP波长短、场增强的特点,并结合非线性吸收的阈值效应,单次曝光区域比纳米图形尺度大4—5个数量级,曝光区域的直径可达1.6 mm.同时制备出较为复杂的同心圆环结构.基于双SPP 吸收独有的特性以及SPP丰富的模式,有望进一步在大光刻视场、超小尺度图形光刻技术上获得突破.光刻技术(lithography)是实现大规模制造微/纳尺度微电子和光电子器件的关键技术之一[1].受光的衍射效应限制,进一步缩小特征尺寸变得越来越困难,常规的光刻技术也变得越来越复杂和昂贵[1,2].在过去的几十年间,人们在不断探索新原理、新方法、新技术,期望突破光的衍射极限,实现亚波长的纳米光刻技术,例如基于双光子吸收(two-photon-absorption,TPA)的光刻[3]、基于表面等离子激元(surface plasmon polariton,SPP)的光刻[4]、纳米压印光刻[5]和激光消融光刻[6]等. SPP是光与金属表面自由电子密度振荡相互耦合形成的一种特殊电磁形式[7,8].具有波长短、场密度大、异常色散等特点,在突破传统光学衍射极限的研究和应用中具有巨大的潜力.例如：利用金属膜上的周期性小孔激励起SPP,实现了90和60 nm的周期点阵[4,9];利用银膜上的周期光栅激励SPP干涉条纹,获得了50 nm线宽的光刻胶图形[10];利用同心圆环构成的SPP透镜实现了直写式的光刻,获得了线宽小于90 nm的光刻光斑[11];将SPP透镜集成在扫描飞行头上,实现了22 nm的高产出率SPP光刻图形[12,13];基于SPP制作完美透镜和超透镜,实现了亚波长的光刻图形[14].尽管光刻图形的线宽对于纳米光刻至关重要,但是光刻视场(一次曝光所能覆盖的光刻面积)和对复杂图形的刻写能力也是决定该项技术能否推广应用的关键.基于SPP 纳米光刻的诸多方案分别利用了SPP不同的特点,均表现出实现超光学衍射极限光刻的能力.考虑到飞秒激光汇聚光斑与光刻胶发生的双光子吸收非线性光学作用[15-17],本文提出并研究飞秒激光作用下光刻胶中的双SPP吸收效应,探索该效应在纳米光刻中的应用;既利用SPP这种特殊电磁模式的特点,又利用SPP和光刻胶的非线性光学作用,以期实现大光刻视场下的超小线宽SPP光刻.本文首先回顾SPP的基本概念,在厘清SPP和光子、表面等离子体等相互关系的基础上,阐述双SPP吸收效应及其应用于纳米光刻的特性,然后介绍双SPP吸收效应的仿真和实验方面的工作.2.1 SPP的概念[18]为了更清晰地认识SPP,理解本文提出的双SPP吸收的概念,下面结合图1,厘清与SPP相关的若干概念及其相互关系.2.1.1 等离子体(plasma and plasmon)等离子体(plasma)是由电子和正离子构成的混合物,由于等离子体中的正负粒子存在电磁相互作用力,等离子体中电子的运动可以描述为围绕着正电荷粒子的集体来回振荡,其振荡频率其中n为电子浓度,m0为电子质量.常见的等离子体形式包括火焰、电弧等.金属及半导体中的电子和正电粒子具有等离子体的特性,故也可以看作是“固体等离子体”. Plasmon是plasma的量子化描述[19-22].2.1.2 表面等离子体(surface plasma and surface plasmon)表面等离子体存在于等离子体边界处的振荡[20-22],其振荡频率不仅与金属材料的本征振荡频率ωp有关,同时还与金属表面的介质材料介电常数ε有关,即ωsp=ωp/(1+ε)1/2[23].Surface p lasmon是surface plasma的量子化描述[19,21-24].2.1.3 极化激元(polariton)极化激元指的是一个混合态的准粒子,由光子(photon)与其他基本粒子或激发(excitation)(如电子、声子、磁子等)耦合构成[21,25].Hopield[26]引入polariton的概念以描述光子与物质的相互作用与耦合.常见的极化激元有surface-plasmonpolariton,phonon-polariton,exciton-polariton等.2.1.4 表面等离子激元(surface plasmon polariton)表面等离子激元指的是photon和surface plasmon相互作用形成的混合态准粒子[7,8],刻画的是光与金属表面自由电子振荡相互耦合形成的一种特殊电磁形式.SPP这个名称本身就是一个量子化的概念,体现了其作为一种准粒子的内涵.而表面等离子体波(SPW)的提法是从波动的角度来看待这种现象的.2.2 双SPP吸收的概念和特点[18,27]双SPP吸收(two SPP absorption)是指介质分子内部电子吸收两个SPP的能量后从基态跃迁到激发态的三阶非线性过程.从能量的角度来看,双SPP吸收与双光子吸收的过程类似.两者均是通过吸收两个“能量子”实现介质分子内部电子的跃迁.不同的是,双光子吸收中的能量单元是光子,而双SPP吸收中的能量单元是photon与surface plasmon共同耦合作用形成的polariton.双SPP吸收与双光子吸收同为双能量子参与的非线性吸收过程,具有以下共同的特点[15]：1)非线性吸收的过程具有显著的阈值效应;2)非线性吸收概率与电磁场的强度平方I2(电场的四次方)呈正比.由于SPP是一种photon和surface plasmon相互耦合形成的准粒子,金属自由电子的参与使得SPP具有异于光子的特殊性质.不同于双光子吸收,双SPP吸收效应具备的新特性为：1)尽管同频率下的光子和SPP具有相同的能量,但是等离子体的参与使得SPP具有更大的动量(波矢)、更短的波长,如图2中光波与SPP的色散曲线所示;SPP模式在媒质(光刻胶)中实现亚波长的电磁场分布,在突破光学衍射极限的尺度范围内实现非线性吸收;2)由于photon与surface plasmon的相互耦合作用,模场体积被压缩,金属界面附近场强得到增强,金属表面材料非线性吸收概率得到了提高;双SPP吸收中的场增强效应可以降低非线性吸收对入射光源功率的要求,或者对于相同输出功率的激光源可以增大单次曝光的面积.可见,SPP参与的非线性过程与传统的光子参与的非线性吸收过程既有联系,又有显著的不同.双SPP吸收带来的新特性有助于大光刻视场、超小尺度图形光刻的技术取得突破.3.1 800 nm飞秒激光作用下的双SPP吸收光刻[18,27]图3所示为双SPP吸收光刻的示意图.在透明的玻璃衬底上方为厚度为100 nm的金膜,金膜上方的媒质为光刻胶.金和光刻胶的介电常数分别为εAu=-25+1.8i[28]和εresist=2.465.金膜上有两组周期性的光栅,光栅的周期与金-光刻胶界面所支持的SPP波长一致.中心波长为800 nm,脉冲宽度为150 fs,x偏振态的飞秒激光从玻璃衬底照射至金属膜.通过光栅补偿激励SPP所需的波矢,在金-光刻胶界面上产生相向传播的SPP,在两组光栅之间的区域形成谐振腔,SPP相互叠加形成干涉条纹.图3(c)为模拟仿真结果,可见在800 nm飞秒脉冲激光作用下可以获得稳定且对比度高的干涉条纹.飞秒激光的谱宽对干涉条纹的影响可以忽略.图3(d)为金膜上方x-z 平面内SPP干涉条纹电场强度平方I2(归一化)分布,仿真结果表明干涉条纹具有很高的对比度,同时条纹中心的强度最大,远离条纹中心强度不断衰减.因此,通过控制入射光的功率,可以使得干涉条纹分布中只有强度位于双SPP吸收阈值之上的部分能够有效地发生非线性反应,从而调控光刻线宽.利用溅射、聚焦离子束刻蚀制备金属SPP光刻模板,并旋涂具有非线性作用的光刻胶(在800 nm波长输入光作用下,光刻胶不会发生单光子吸收;在400 nm输入光作用下,光刻胶发生单光子吸收的变性过程).再将平均功率为630 mW的飞秒激光经透镜汇聚后照射到样品表面.将经过10 s飞秒激光照射的样品依次在SU-8显影液、异丙醇和去离子水中浸泡35,10和30 s.利用扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)可以观察到金属光栅间明显的周期性光刻胶条纹,如图4(a)所示.图4(b)为图4(a)中蓝色虚线处光刻胶的表面形貌,光刻胶的周期约为240 nm、线宽约为120 nm、平均高度约为60 nm.利用双SPP吸收的阈值效应,通过调控曝光剂量可以对光刻线宽进行控制.将飞秒激光的平均功率从630 mW降低为230 mW,曝光时间从10 s变为15 s,图4(c)显示条纹线宽从约120 nm减小到约70 nm(条纹周期仍约为240 nm),条纹线宽仅为曝光波长800 nm的1/11,极大地突破了衍射极限的限制.实验中条纹线宽不均匀、条纹不完整呈现断续状,主要原因是激励SPP的金属周期光栅不均匀且有形变,同时金膜的粗糙表面以及光刻条件对最终光刻条纹的质量造成了影响.3.2 400 nm飞秒激光作用下的双SPP吸收光刻[18,29]通过改变曝光波长可以进一步减小干涉条纹的周期与线宽.为进一步挖掘双SPP吸收纳米光刻的潜力,将曝光波长缩短为400 nm.图5(a)所示为400 nm飞秒激光作用下基于双SPP吸收效应的光刻示意图.此时,采用铝膜作为金属材料(厚度T=100 nm),铝膜上方的媒质为光刻胶.纳米狭缝代替光栅激励SPP模式.图5(b)的仿真结果表明在400 nm飞秒激光作用下,图5(a)所示结构可获得周期约240 nm的干涉条纹.不同于800 nm飞秒激光作用下的光刻,此处光刻胶采用深紫外光刻胶(在400 nm 波长输入光作用下,光刻胶不会发生单光子吸收;在200 nm输入光作用下,光刻胶发生单光子吸收的变性过程).利用平均功率为50 mW的飞秒激光曝光样品8 s,并依次在显影液和去离子水中浸泡8和360 s.光刻图形SEM和AFM照片如图6(a)和图6(b)所示,可以观察到明显的周期性光刻胶条纹.图6(c)对应图6(b)中黄色虚线的光刻胶条纹表面形貌,光刻胶的空间周期约为138 nm,条纹的平均线宽约为70 nm.图中绿色虚线所指示的光刻胶是由透过金属狭缝的激光直接作用形成的.与800 nm飞秒激光下的双SPP吸收光刻类似,这里通过改变曝光的计量(激光功率或曝光时间),同样也可以实现条纹线宽的调控.平均曝光功率为50 mW时光刻胶平均线宽随曝光时间的变化如图6(d)所示.结果表明,当曝光时间从20 s减小至5 s时,光刻胶平均线宽从约85 nm减小到约50 nm.实验中入射至样品表面的光斑直径约为1.6 mm,表明基于双SPP吸收效应的纳米光刻可应用于大视场的纳米光刻. 3.3 同心圆环纳米光刻[18,30]利用双SPP吸收光刻还可以实现较为复杂的图形.图7(a)所示为利用双SPP吸收光刻实现同心圆环图形的示意图.铝膜上的圆型狭缝结构在不同偏振光照射下可以实现复杂的同心圆环干涉图形.仿真结果如图7(b)和图7(c)所示,在垂直线偏振光作用下,可获得扇形的周期环状干涉条纹;在圆偏振光作用下,可激励完整的周期同心圆环干涉条纹.图8(a)为在铝膜上制备的圆形狭缝结构.当入射飞秒激光为线偏振时,半径为2.5µm 的圆形狭缝形成的光刻图形如图8(b)和图8(c)所示,可以看到明显的扇形周期环状光刻胶条纹,环纹线宽约为70 nm.图8(c)相对图8(b)的曝光时间较短,根据前面提到的双SPP吸收光刻的阈值效应,可以看到光刻胶图形主要存在于光强较强的圆环中心区,图形线宽约为60 nm.若入射飞秒激光的偏振态为圆偏振,获得的光刻图形为完整的同心圆环,如图8(d)所示,与模拟结果完全符合.进一步,可以将制备的同心圆环光刻图形转移至芯片衬底,有望实现电磁波的聚焦、滤波等功能,并有望在亚波长光学器件[31,32]、生化传感等[33,34]方面得到应用.上述光刻结果表明,利用基于双SPP吸收效应的光刻,在不同结构和不同曝光条件下可以实现不同形状的复杂纳米图形.同时该光刻方法精确地记录下SPP干涉的场分布信息,提供了一种有效的记录SPP场的手段.本文针对双SPP吸收(SPP在光刻胶中的非线性作用)突破光学衍射极限及其应用于大视场纳米图形制备中的关键问题展开了理论和实验研究.阐明了双SPP吸收既有与双光子吸收相同的特点,即显著的阈值效应和吸收概率与场强度平方成正比,又有其独有的特点,如更易实现亚波长电磁分布和更高的场强.通过设计和制备金属SPP模板,模拟仿真了飞秒激光作用下的SPP干涉图形,利用800 nm飞秒激光实现了周期约为240 nm、线宽约为120 nm的光刻胶条纹,并通过降低曝光功率,将条纹线宽降低约为70 nm,仅为曝光波长的1/11;将曝光波长减小为400 nm,实现了周期约为138 nm、线宽约为70 nm的光刻胶条纹,并通过改变曝光时间,实现了条纹线宽从约85 nm到约50 nm的有效调控.此外,利用简单的圆形纳米狭缝SPP模板,实现了复杂的同心圆环结构.实验中飞秒激光的单次曝光区域的直径达到1.6 mm,较纳米图形尺度大4—5个数量级,验证了双SPP吸收效应应用于大视场纳米光刻的可行性.本文只对基于双SPP吸收的纳米光刻做了初步探索,考虑到纳米金属/介质结构中丰富的SPP模式和不同的特性,结合双SPP吸收效应的特点,有望在更大的光刻视场下获得更多高质量的纳米光刻图形.[1]Mack C 2008 Fundamental Principles of Optical Lithography:the Science of Microfabrication(Hoboken：John Wiley&Sons)[2]Bakshi V 2009 EUV Lithography(Vol.178)(Bellingham：Spie Press)[3]Cumpston B H,Ananthavel S P,Barlow S,Dyer D L, Ehrlich J E,Erskine L L,Heikal A A,Kuebler S M,Lee I Y S,McCord-Maughon D,Qin J 1999 Nature 398 51[4]Srituravanich W,Fang N,Sun C,Luo Q,Zhang X 2004 Nano Lett.4 1085[5]Chou S Y,Krauss P R,Renstrom P J 1996 J.VacuumSci.Technol.B:Microelectr.Nanometer Struct.Process.Measur.Phenom.14 4129[6]Zhai T,Zhang X,Pang Z,Dou F 2011 Adv.Mater.23 1860[7]Zayats A V,Smolyaninov I I,Maradudin A A 2005 Phys. Reports 408 131[8]Brongersma M L,Kik P G 2007 Surface Plasmon Nanophotonics.(Berlin：Springer)[9]Srituravanich W,Durant S,Lee H Sun C,Zhang X 2005 J.VacuumSci.Technol.B:Microelectr.Nanometer Struct.Process.Measur.Phenom.23 2636[10]Luo X,Ishihara T 2004 Appl.Phys.Lett.84 4780[11]Seo S,Kim,H C,Ko H,Cheng M 2007 J.VacuumSci.Technol.B:Microelectr.Nanometer Struct.Process.Measur.Phenom.25 2271[12]Srituravanich W,Pan L,Wang Y,Sun C,Bogy D B, Zhang X 2008 Nature Nanotechnol.3 733[13]Pan L,Park Y,Xiong Y,Ulin-Avila E,Wang Y,Zeng L, Xiong S,Rho J,SunC,Bogy D B,Zhang X 2011 Sci. Reports 1 175[14]Melville D O,Blaikie R J 2005 Opt.Express 13 2127[15]Sun H B,Kawata S 2004 In NMR·3D Analysis·Photopolymerization(Berlin：Springer Berlin Heidelberg) pp169–273[16]Lee K S,Yang D Y,Park S H,Kim R H 2006 Polym. Adv.Technol.17 72[17]Park S H,Yang D Y,Lee K S 2009 Laser Photon.Rev. 3 1[18]Li Y X 2014 Ph.D.Dissertation(Beijing：Tsinghua University)(in Chinese)[李云翔 2014博士学位论文 (北京：清华大学)][19]Bellan P M 2008 Fundamentals of Plasma Physics (Cambridge：Cambridge University Press)[20]Ritchie R H 1957 Phys.Rev.106 874[21]Ponath H E,Stegeman G I 2012 Nonlinear Surface Electromagnetic Phenomena(Vol.29)(Amsterdam：Elsevier)[22]Raether H 2013 Surface Plasmons on Smooth and Rough Surfaces and on Gratings (Berlin：Springer-Verlag Berlin)[23]Pines D 1956 Rev.Modern Phys.28 184[24]Raether H 2006 Excitation of Plasmons and Interband Transitions by Electrons(Vol.88)(Berlin：Springer)[25]Chen D Z A 2007 Ph.D.Dissertation(Massachusetts：Massachusetts Institute of Technology)[26]Hop field J J 1958 Phys.Rev.112 1555[27]Li Y,Liu F,Xiao L,Cui K,Feng X,Zhang W,Huang Y 2013Appl.Phys.Lett.102 063113[28]Palik E D 1998 Handbook of Optical Constants of Solids(Vol.3)(Cambridge：Academic Press)[29]Li Y,Liu F,Ye Y,Meng W,Cui K,Feng X,Zhang W, Huang Y 2014Appl.Phys.Lett.104 081115[30]Meng W S 2015 M.S.Dissertation(Beijing：Tsinghua University)(in Chinese)[孟维思2015硕士学位论文(北京：清华大学)][31]Fu Y,Zhou X 2010 Plasmonics 5 287[32]Carretero-Palacios S,Mahboub O,Garcia-Vidal F J, Martin-MorenoL,Rodrigo S G,Genet C,Ebbesen T W 2011 Opt.Express 19 10429[33]Gao Y,Gan Q,Bartoli F J 2014 IEEE Photon.J.6 1[34]Gao Y,Xin Z,Zeng B,Gan Q,Cheng X,Bartoli F J 2013 Lab on a Chip 13 4755PACS:81.16.Nd,42.50.St,42.65.—k DOI:10.7498/aps.66.148101 Lithography is one of most important technologies for fabricating micro-and nano-structures.Limited by the light di ff raction limit,it becomes more and more difficult to reduce the feature size of lithography.Surface plasmon polariton (SPP)is due to the interaction between electromagnetic wave and oscillation of free-electron on metal surface.For the shorter wavelength,higher field intensity and abnormal dispersion relation,the SPP would play an important role in breaking through the di ff raction limit and realizing nanolithography.In this paper,we theoretically and experimentally study the optical nonlinear e ff ect of SPP(two-SPP-absorption)in the photoresist and its application of nanolithography with large field.First,the concept and features of two-SPP-absorption are introduced.Like two-photo-absorption,the two-SPP-absorption based lithography is able to realize nanopatterns beyond the di ff raction limit:1)the absorption rate quadratically depends on the light intensity,which can further squeeze the exposure spot;2)the pronounced power threshold provides a possibility for precisely controlling the linewidth by manipulating the illumination power. Nevertheless,unlike the two-photo-absorption lithography which focuses light onto a single spot and scans point by point, the two-SPP-absorption method could obtain the subwavelength field pattern by simply illuminating the plasmonic mask. The subwavelength field pattern due to the short wavelength of SPP would further result in the overcoming-di ff ractionlimit resist pattern.Besides,the highly concentrated SPP field leads to the strong electromagnetic field enhancement at the metal-dielectricinterface,which could reduce the input power density of exposure source or enlarge the exposure area.Then the two-SPP absorption is realized under the illuminations of femtosecond lasers with vacuum wavelengths of 800 nm and 400 nm.Meanwhile,the interference periodic patternis realized and it is observed that the linewidth could be adjusted by controlling the exposure dose.The minimum linewidth of resist pattern is only one tenth of the vacuum wavelength.By utilizing the features of two-SPP-absorption,namely shorter wavelength,enhanced field and threshold e ff ect,the lithography field could be of millimeter size,which is about four to fi ve orders of magnitude larger than the characteristic size of nanostructure.Therefore,this two-SPP-absorption scheme could be used for large-area plasmonic lithography beyond the di ff raction limit with the help of various plasmonic structures and modes.。

ZnO掺杂ITO薄膜光电性能及其与p-GaN欧姆接触性能研究的开题报告题目：ZnO掺杂ITO薄膜光电性能及其与p-GaN欧姆接触性能研究研究背景：ITO (Indium Tin Oxide) 是一种广泛应用于电子器件领域的透明导电材料。

它在光电转换、平面显示等领域有着广泛的应用。

由于 indium 与tin 元素的成本相对较高，所以近年来研究人员开始关注用其他材料代替ITO 的研究。

其中，ZnO (Zinc Oxide) 作为一种广泛应用的透明导电材料，具有价格低廉、稳定性好等优点，成为了 ITO 替代品研究的热门材料之一。

p-GaN (p-type Gallium Nitride) 是一种重要的半导体材料，在LED、激光器等方面有着重要的应用。

而其与其他材料的界面性质的研究，对于器件性能的提升有着重要的作用。

因此，在此背景下，本文选择了 ZnO 掺杂 ITO 作为研究对象，探究其光电性能，并研究其与 p-GaN 的欧姆接触性能，以期为相关器件的研究提供参考和理论指导。

研究内容及实验设计：1. ZnO 掺杂 ITO 薄膜制备：通过热蒸发法制备掺杂不同浓度 ZnO的 ITO 薄膜，研究其不同掺杂浓度下的透明度、电阻率等光电性能。

2. 制备 p-GaN 样品：使用金属有机化学气相沉积法制备 p-GaN 样品。

3. 测试 ZnO 掺杂 ITO 薄膜与 p-GaN 的接触性能：使用 IV 曲线测试仪测量 ZnO 掺杂 ITO 薄膜与 p-GaN 的接触电阻、接触电流等数据，研究其欧姆接触性能。

预期成果及意义：本研究将探究 ZnO 掺杂 ITO 薄膜的光电性能及其与 p-GaN 的欧姆接触性能，为相关器件的研究提供参考和理论指导。

同时，本研究还可进一步拓展 ZnO 掺杂 ITO 的应用领域，为 ITO 替代品的研究提供新思路。

OTFTs中M-S接触效应的研究的开题报告开题报告一、课题背景现今，随着移动设备市场的繁荣，柔性电子学、有机电子学领域正逐渐成为人们关注的焦点。

其中，有机薄膜晶体管（Organic Thin-film Transistors, OTFTs）被广泛应用于显示屏、传感器、电池等多方面，有着极其广泛的应用前景。

然而，OTFTs的工作原理在很大程度上受到了薄膜中金属和有机半导体之间的接触效应的影响。

M-S （Metal-Semiconductor）接触效应是OTFTs界面中最重要的接触效应之一，严重影响着OTFTs的电学特性和长寿命的使用。

因此，对于OTFTs中M-S接触效应的研究显得非常重要。

二、研究目的本文旨在从实验方法和理论计算两个方向探讨M-S接触效应对OTFTs性能的影响，并尝试寻找解决方案，提高OTFTs的稳定性和性能。

三、研究内容1.理论方面：M-S接触效应的机制研究、建立数学模型，探讨材料的选择对M-S 接触效应的影响。

2.实验方面：搭建稳定的OTFTs测试平台，研究M-S接触效应对OTFTs电学特性的影响，引入界面层中的材料进一步研究M-S接触效应的机理和解决方案。

四、预期成果1.在理论方面，提出适合不同OTFTs应用中的M-S接触效应研究的数学模型，并且揭示了材料选择对M-S接触效应的影响；2.在实验方面，建立稳定的OTFTs测试平台并且实现了对M-S接触效应的实验验证；提出相关解决方案，从而改善OTFTs的电学性能和延长使用寿命。

五、研究意义本文旨在深入探讨OTFTs界面中重要的M-S接触效应，从理论和实验两个方面获取更多关于M-S接触效应机理的信息，并给出改善OTFTs性能的策略。

该研究对于推动OTFTs技术的应用和发展均有着十分重要的实际意义。

等离子体纳米结构中的Fano共振效应及其应用张佳;牧凯军;王俊俏;范春珍;梁二军【摘要】Fano resonance is a resonance scattering phenomenon with an asymmetric spectral line shape,which originated from the quantum interference between resonant and non-resonant paths.Recently,Fano resonance in plasmonic nanostructures has been observed and developed to a research hotspot in nanophotonics.Plasmonic Fano resonance usually exhibits a narrow spectral line width,and cannot be excited by incident light and localizes at near field regions with a large electromagnetic field congregation and enhancement.Due to its special optical properties,Fano resonance has wide and significant applications in the areas such as single-molecule detection,high sensitivity sensing,enhanced spectrum,perfect absorption,electromagnetically induced transparency and slow-light photonic devices.%Fano共振效应是一种具有非对称线型的共振散射现象,起源于共振过程和非共振过程的量子干涉效应.近年来,在等离子体纳米结构中Fano共振现象也被发现,并成为纳米光子学的一个研究热点.等离子体Fano共振通常具有较窄的光谱线宽,且不能直接与入射光耦合,只能局域在近场,强的近场局域特性可以获得巨大的表面电磁场增强.由于等离子体Fano共振独特的光学特性,已经被应用到单分子探测、高灵敏度传感、增强光谱、完美吸收、电磁诱导透明和慢光光子学器件等众多领域当中.【期刊名称】《光散射学报》【年(卷),期】2017(029)001【总页数】7页(P1-7)【关键词】Fano共振;等离子体纳米结构;纳米光子学【作者】张佳;牧凯军;王俊俏;范春珍;梁二军【作者单位】郑州大学物理工程学院材料物理教育部重点实验室,郑州 450052;郑州大学物理工程学院材料物理教育部重点实验室,郑州 450052;郑州大学物理工程学院材料物理教育部重点实验室,郑州 450052;郑州大学物理工程学院材料物理教育部重点实验室,郑州 450052;郑州大学物理工程学院材料物理教育部重点实验室,郑州 450052【正文语种】中文【中图分类】O469;TB39Fano共振最初出现在原子的吸收谱中,原子中电子的多种组态可分为分立能态和连续能态,由于分立能态和连续能态之间相长相消干涉作用使吸收谱出现零吸收的现象,呈现出与传统洛伦兹线型不同的非对称共振光谱。