▍導讀

圖1：《光學精密工程》2023年第14期封面

金屬材料近年來表現出很強的等離子體共振效應，Al納米材料被認為是紫外波段中最有前景的等離子體材料之一。研究表明，Al納米粒子的局域表面等離子體共振的強度隨入射光能量的增加而提高，使其具有優異的紫外吸收特性。另外，Al材料價格低廉且易于產業化，Al納米結構的天然氧化層可作為熒光增強絕緣層避免熒光猝滅以及調整局域表面等離子體共振吸收峰的位置，在紫外波段背光顯示領域表現出獨特的價值。

現有報道的周期性Al納米陣列主要以硅和金屬材料為襯底來實現熒光和偏振調制。背光領域通常采用透明襯底，而石英襯底具有高透紫外光譜性能以及優異的化學穩定性，在紫外透明石英襯底上設計與制備金屬微納結構就顯得尤為重要。半導體量子點因其量子產率高、穩定性好、波長可控等優點，被廣泛應用于發光器件、光電顯示等領域。因此，能夠借助紫外透明的Al納米陣列結構實現量子點薄膜發光增強，就能夠降低器件中的損耗和提升亮度，對背光顯示領域具有重要價值。

針對這一應用需求，長春理工大學的王子恒等在《光學 精密工程》（EI、Scopus，中文核心期刊，《儀器儀表領域高質量科技期刊分級目錄》和《光學和光學工程領域高質量科技期刊分級目錄》“T1級”期刊）上發表了題為“石英上Al納米陣列的制備及熒光增強性能”的封面文章。

▍AI納米陣列結構

在本文中，圖1給出了制備Al納米棒陣列的工藝流程Al納米棒使用電子束正膠的曝光方案進行加工。常用于紫外透明光電器件的石英襯底導電性差，對于制備本身粘附性較低的Al納米陣列結構更具有極大的技術難度。采用以下方法可以實現在導電性差的襯底上制備納米陣列結構。

電子束曝光過程包括以下步驟：（1）導電處理：在基底表面旋涂電子束正膠 PMMA A4，經過90s前烘后進行金屬磁控濺射沉積Cr，厚度為10nm；（2）曝光：電子束曝光，曝光劑量經優化后確定為1200μc/cm2，4-甲基-2-戊醇和異丙醇的比例為1∶3，顯影時間為120 s，異丙醇定影時間為30 s，用氮氣吹干后取出基底；（3）金屬沉積：使用電子束蒸發沉積Al，厚度為40 nm；（4）剝離：通過丙酮浸泡，異丙醇和去離子水進行清洗得到石英襯底上的Al納米陣列。

▍Al納米陣列的仿真模擬和形貌表征

基于FDTD對Al納米棒進行模擬，分析其近場光學特性。設計了如圖2所示的Al納米棒模型。其中，長度為L=221 nm，寬度R=150 nm，橫向間距H=238 nm，縱向間距T=268 nm以及H=3 nm的氧化層。在理論模擬中，所有材料的折射率設置都取自（Handbook of Palik）手冊，光源設置為平面波，光源偏振方向為x軸方向，仿真波段在200-400 nm。

曝光劑量對電子束光刻制備納米結構的形貌和尺寸影響較大，因此我們進行了多組測試。圖3為以1200 μc/cm2劑量下制備的模板進行金屬Al沉積后獲得的Al納米陣列的SEM照片。為了展示此加工技術對Al納米棒排布方式的有效控制，加工過程中將模板版圖設置為納米棒取向互相垂直的四個區域。

圖2：Al納米棒的FDTD模擬模型示意圖

圖3：相互垂直的四個區域周期性Al納米陣列SEM照片

▍實驗及結果分析

圖4為Al納米棒電場分布圖及CdSe/ZnS量子點形貌和光學性質表征。以波長為325 nm且偏振方向平行于襯底的平面波作為入射光，計算得到的電場（近場）分布如圖4（a）所示。如圖4（b）所示，CdSe/ZnS 量子點的直徑為11±1 nm，并且其吸收光譜能夠覆蓋紫外光區（見圖4（c））。325 nm激發下，其熒光發射峰中心位于632 nm處（見圖4（d））。對比石英襯底上無Al納米陣列處CdSe/ZnS量子點和Al納米陣列表面CdSe/ZnS量子點的發光光譜，可以發現，Al納米陣列上的 CdSe/ZnS量子點熒光強度比石英襯底上CdSe/ZnS量子點熒光強度平均約高1.7倍。證實了所制備的透明石英襯底上的Al納米陣列確實可在紫外激發下實現量子點材料的熒光增強。

圖4：Al納米棒電場分布圖及CdSe/ZnS量子點形貌和光學性質表征

▍工程應用前景

該研究針對透明襯底上紫外共振金屬納米陣列制備的技術需求，在不導電石英襯底上，采用電子束曝光制備Al納米陣列，并對其形貌及性能進行研究。成功在不導電襯底上獲得多取向集成的、對量子點具有顯著熒光增強效果的Al納米陣列，為背光激發下量子點發光調控和偏振調制提供了一種新策略，在紫外波段背光顯示領域展現出很好的應用前景。

▍第一作者

王子恒，博士，現為長春理工大學“國際納米光子與生物光子聯合研究中心”成員。該中心為吉林省“納米光子學與生物光子學”重點實驗室及科技部納米生物光子學國際科技合作基地。2018年于長春理工大學光電信息學院獲得學士學位，2018考入長春理工大學物理學院凝聚態物理專業，師從李金華教授。主要從事納米材料制備及光學特性方面的研究。
E-mail：825424850@qq.com

▍通訊作者

李金華，博士，教授，博士生導師，吉林省拔尖創新人才、吉林省春苗人才，現為長春理工大學“科技部納米生物光子學國際科技合作基地”、吉林省“納米光子學與生物光子學重點實驗室”負責人，物理學院副院長，物理學科凝聚態物理方向帶頭人。2006年于中國科學院長春光學精密機械與物理研究所獲得博士學位，主要開展半導體納米光電材料與器件等方面研究。承擔國家級和省部級項目20余項，發表SCI檢索論文40余篇。
E-mail: lijh@cust.edu.cn

▍論文信息

王子恒,李金華,楚學影,張燁.石英上Al納米陣列的制備及熒光增強性能[J].光學精密工程,2023,31(14):2052-2059

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

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