光学精密工程 | 石英上Al纳米阵列的制备及荧光增强性能

▍导读

图1：《光学精密工程》2023年第14期封面

金属材料近年来表现出很强的等离子体共振效应，Al纳米材料被认为是紫外波段中最有前景的等离子体材料之一。研究表明，Al纳米粒子的局域表面等离子体共振的强度随入射光能量的增加而提高，使其具有优异的紫外吸收特性。另外，Al材料价格低廉且易于产业化，Al纳米结构的天然氧化层可作为荧光增强绝缘层避免荧光猝灭以及调整局域表面等离子体共振吸收峰的位置，在紫外波段背光显示领域表现出独特的价值。

现有报道的周期性Al纳米阵列主要以硅和金属材料为衬底来实现荧光和偏振调制。背光领域通常采用透明衬底，而石英衬底具有高透紫外光谱性能以及优异的化学稳定性，在紫外透明石英衬底上设计与制备金属微纳结构就显得尤为重要。半导体量子点因其量子产率高、稳定性好、波长可控等优点，被广泛应用于发光器件、光电显示等领域。因此，能够借助紫外透明的Al纳米阵列结构实现量子点薄膜发光增强，就能够降低器件中的损耗和提升亮度，对背光显示领域具有重要价值。

针对这一应用需求，长春理工大学的王子恒等在《光学 精密工程》（EI、Scopus，中文核心期刊，《仪器仪表领域高质量科技期刊分级目录》和《光学和光学工程领域高质量科技期刊分级目录》“T1级”期刊）上发表了题为“石英上Al纳米阵列的制备及荧光增强性能”的封面文章。

▍AI纳米阵列结构

在本文中，图1给出了制备Al纳米棒阵列的工艺流程Al纳米棒使用电子束正胶的曝光方案进行加工。常用于紫外透明光电器件的石英衬底导电性差，对于制备本身粘附性较低的Al纳米阵列结构更具有极大的技术难度。采用以下方法可以实现在导电性差的衬底上制备纳米阵列结构。

电子束曝光过程包括以下步骤：（1）导电处理：在基底表面旋涂电子束正胶 PMMA A4，经过90s前烘后进行金属磁控溅射沉积Cr，厚度为10nm；（2）曝光：电子束曝光，曝光剂量经优化后确定为1200μc/cm²，4-甲基-2-戊醇和异丙醇的比例为1∶3，显影时间为120 s，异丙醇定影时间为30 s，用氮气吹干后取出基底；（3）金属沉积：使用电子束蒸发沉积Al，厚度为40 nm；（4）剥离：通过丙酮浸泡，异丙醇和去离子水进行清洗得到石英衬底上的Al纳米阵列。

▍Al纳米阵列的仿真模拟和形貌表征

基于FDTD对Al纳米棒进行模拟，分析其近场光学特性。设计了如图2所示的Al纳米棒模型。其中，长度为L=221 nm，宽度R=150 nm，横向间距H=238 nm，纵向间距T=268 nm以及H=3 nm的氧化层。在理论模拟中，所有材料的折射率设置都取自（Handbook of Palik）手册，光源设置为平面波，光源偏振方向为x轴方向，仿真波段在200-400 nm。

曝光剂量对电子束光刻制备纳米结构的形貌和尺寸影响较大，因此我们进行了多组测试。图3为以1200 μc/cm²剂量下制备的模板进行金属Al沉积后获得的Al纳米阵列的SEM照片。为了展示此加工技术对Al纳米棒排布方式的有效控制，加工过程中将模板版图设置为纳米棒取向互相垂直的四个区域。

图2：Al纳米棒的FDTD模拟模型示意图

图3：相互垂直的四个区域周期性Al纳米阵列SEM照片

▍实验及结果分析

图4为Al纳米棒电场分布图及CdSe/ZnS量子点形貌和光学性质表征。以波长为325 nm且偏振方向平行于衬底的平面波作为入射光，计算得到的电场（近场）分布如图4（a）所示。如图4（b）所示，CdSe/ZnS 量子点的直径为11±1 nm，并且其吸收光谱能够覆盖紫外光区（见图4（c））。325 nm激发下，其荧光发射峰中心位于632 nm处（见图4（d））。对比石英衬底上无Al纳米阵列处CdSe/ZnS量子点和Al纳米阵列表面CdSe/ZnS量子点的发光光谱，可以发现，Al纳米阵列上的 CdSe/ZnS量子点荧光强度比石英衬底上CdSe/ZnS量子点荧光强度平均约高1.7倍。证实了所制备的透明石英衬底上的Al纳米阵列确实可在紫外激发下实现量子点材料的荧光增强。

图4：Al纳米棒电场分布图及CdSe/ZnS量子点形貌和光学性质表征

▍工程应用前景

该研究针对透明衬底上紫外共振金属纳米阵列制备的技术需求，在不导电石英衬底上，采用电子束曝光制备Al纳米阵列，并对其形貌及性能进行研究。成功在不导电衬底上获得多取向集成的、对量子点具有显著荧光增强效果的Al纳米阵列，为背光激发下量子点发光调控和偏振调制提供了一种新策略，在紫外波段背光显示领域展现出很好的应用前景。

▍第一作者

王子恒，博士，现为长春理工大学“国际纳米光子与生物光子联合研究中心”成员。该中心为吉林省“纳米光子学与生物光子学”重点实验室及科技部纳米生物光子学国际科技合作基地。2018年于长春理工大学光电信息学院获得学士学位，2018考入长春理工大学物理学院凝聚态物理专业，师从李金华教授。主要从事纳米材料制备及光学特性方面的研究。
E-mail：825424850@qq.com

▍通讯作者

李金华，博士，教授，博士生导师，吉林省拔尖创新人才、吉林省春苗人才，现为长春理工大学“科技部纳米生物光子学国际科技合作基地”、吉林省“纳米光子学与生物光子学重点实验室”负责人，物理学院副院长，物理学科凝聚态物理方向带头人。2006年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获得博士学位，主要开展半导体纳米光电材料与器件等方面研究。承担国家级和省部级项目20余项，发表SCI检索论文40余篇。
E-mail: lijh@cust.edu.cn

▍论文信息

王子恒,李金华,楚学影,张烨.石英上Al纳米阵列的制备及荧光增强性能[J].光学精密工程,2023,31(14):2052-2059

https://ope.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/OPE.20233114.2052

【参考资料】

[1]Yamada I, Takano K, Hangyo M, et al. Terahertz wire-grid polarizers with micrometer pitch A1 gratings [J]. Optics Letters, 2009, 34(3): 274-276.

[2] 褚金奎，康维东，曾祥伟，等. 基于柔性纳米压印工艺制备中红外双层金属纳米光栅 [J]. 光学精密工程, 2017, 25(12):3034-3040. 

[3] 任升，刘丽炜，李金华，胡思怡，任玉，王玥，修景锐. 纳米尺度下的局域场增强研究进展 [J].中国光学, 2018, 11(01): 31-46.

[4] ZHAO S X, YU Y Y, ZHANG B Y, et al. Dual-Mode Circularly Polarized Light Emission and Metal-Enhanced Fluorescence Realized by the Luminophore-Chiral Cellulose Nanocrystal Interfaces [J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2021, 13(49): 59132-59141.

[5] FULARZ A, STOGIANNIS D, RICE J H, et al. Cellulose Acetate-Based Plasmonic Crystals for Surface-Enhanced Raman and Fluorescence Spectroscopy [J]. ACS Materials Au, 2022, 2(4): 453-463.

[6] LI Z D, KANG H S, LONG M Y, et al. Tunable Near-Field Enhancement in Structure-Adjustable Au Nanodumbbells for Improved SERS and Double-Resonantly Enhanced SHG [J]. The Journal of Physical Chemistry C, 2022, 126(29): 12129-12135.

[7] 袁纵横，苏睿，黄静. 宽谐振区的光学纳米天线的谐振 [J].光学精密工程, 2013, 21(6): 1518-1523.

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