金属纳米线阵列红外偏振器

第 28卷 第 2期 2007年 2月 仪 器 仪 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 学 报 Ch inese Journa l ofSc ientific Instrument Vol1 28 No1 2 Feb1 2007 金属纳米线阵列红外偏振器* 闫金良 (鲁东大学物理与电子 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院 烟台 264025) 摘 要: 本文用电磁场理论推导了多排金属纳米线有序阵列的光学损耗表达式, 并进行了数值模拟。采用电化学沉积 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 将 金属银电镀到氧化铝的孔中,得到含银纳米线氧化铝膜有序阵列复合结构 ,测量了含银纳米线氧化铝膜的光学损耗。理论和实 验研究表明, 含银纳米线氧化铝膜有序阵列的光学损耗显著依赖于光的偏振方向, 在红外波段表现出良好的偏振特性,是一种 新型红外微偏振器。 关键词: 红外偏振器; 多孔氧化铝; 纳米线阵列; 薄膜光学 中图分类号: O484. 41 文献标识码: A 国家 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 学科分类代码: 510. 20 M eta l nanow ire arrays for infra red polar izer s Yan J in liang (School of Physics and E lectronic Engineer ing, Ludong Univer sity, Yanta i 264025, China ) Abstr act: The expressions of the optical loss for mu lti2row m eta l nanow ires were derived from e lectromagnet ic field theory. The extinction ratio and insert ion loss of ordered nanow ire arrays were numerically ca lculated. Orderedw ire2 like silver nano2arrays were prepared viam etal e lectrodeposition w ith in the pores of anod ic alum inamembrane. The opt ical loss of anodic alum inam embranew ith implanted silver nanow ires wasm easured. Theoretica l and experimen tal resu lts show that the optica l loss of a lum inamembrane w ith imp lanted silver nanow ires strongly depends on the direc2 t ion of polarizat ion; the alum ina membrane w ith imp lanted silver nanow ires d isp lays better polarizat ion characteristic in infrared wavelength region, and is expected to be an effic ient infrared m icropolarizer. K ey word s: in frared polarizer; porous a lum ina; nanow ire array; film opt ics 1 引 言 偏振器是光学和光电子学中最基础、最重要的光学 元件之一,被广泛应用于光隔离器、光调整器和光转换开 关等。偏振器的偏振性能直接影响到这些器件的性能。 传统的偏振器如格兰棱镜、波片堆偏振器等,由于体积 大、效率低而远远不能满足要求。随着光学技术的飞速 发展,偏振器的微型化和高性能将成为必然趋势。微型 光偏振器将会在光通讯、集成光学、光电探测中有重要的 应用前景。在对阳极氧化铝膜的研究中,人们发现它具有 非常均匀的纳米孔阵列结构,用电镀方法可向孔中填入金 属柱,形成金属纳米线阵列 [122] ,于是期望这种含金属纳米 线的氧化铝膜像金属线栅偏振器一样,具有偏振功能[ 3]。 用含金属纳米线的氧化铝膜做偏振器,具有尺寸微小、工 艺简单、成本低等特点,在未来的光通信领域有广阔的应 用前景。本文从理论上研究了含金属纳米线氧化铝膜的 光学损耗,并用阳极氧化方法制备多孔氧化铝膜,合成含 银纳米线氧化铝膜复合结构,测量这种新型微偏振器的 偏振特性。 2 理论 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 和数值计算 2. 1 理论推导 图 1为含金属纳米线的氧化铝膜示意图, 氧化铝和 金属线的折射率分别为 n1和 n2,金属线的直径和间距分 别为 2a和 b,入射光波长为 K,有 a < b<< K。针对图 1中 的一排纳米线作为研究对象。当电矢量平行于纳米线轴 收稿日期: 2006201 Received Date: 2006201 * 基金项目:山东省教育厅基金 ( J04B01)、鲁东大学基金 ( 20052802)资助项目 314 仪 器 仪 表 学 报 第 2 8卷 图 1 含金属纳米线的氧化铝膜结构模型 F ig. 1 Structu ra lmode l of the a lum ina film with me tal nanow ires 向的线偏振光 (EH )垂直入射到界面时,入射光的电场表 达式为: E ix = E 0 exp( - jk1z) ( 1) 式中: k1 = 2Pn1 /K,表示光波在氧化铝中传播的波数。纳 米线左侧 z< 0和纳米线右侧 z> 0的电场分别用 E L和 ER表示,纳米线内部的电场用 E 2x表示,它们的表达式分 别为: E L = E 0 exp( - jk1z) +Aexp ( jk1z) ( 2) ER = B exp( - jk1z) ( 3) E 2x = E ] m = 0 DmJm ( k2 r) cos(mH) ( 4) 式中: A 和 B对应反射光波和透射光波的振幅; k2 = 2Pn2 /K,表示光波在金属纳米线中传播的波数; Dm 为待 定系数; Jm为 m阶贝塞尔函数。在氧化铝和金属纳米线 的界面处利用电磁场边值关系可以进一步确定上述待定 系数以及反射光波和透射光波的振幅。 A=E 0 1- jbG1 Pk1a 2 - 1 - 1+ jk1 b P G0 - lg2 - 1 ( 5) B= E 0 1- 1- jbG1 Pk1a2 - 1 - 1+ jk1 b P G0 - lg2 - 1 ( 6) 对于 H偏振光,式 ( 5 )和式 ( 6)中的参数 G0和 G1分 别为: G0 = J0 ( k2a ) - k2aJ c0 ( k2a ) lg( Pa /b) ( k1a ) 2 /2 J 0 ( k2a ) + k2aJc0 (k2a ) ( 7) G1 = J 1 (k2a ) + k2aJc1 ( k2a ) J 1 (k2a ) - k2aJc1 ( k2a ) ( 8) 对于 V偏振光,式 ( 5)和式 ( 6)中的参数 G0和 G1分 别为: G0 = k2a / ( k1a )2 J0 ( k2a ) - J c0 ( k2a ) lg( Pa /b) (k2a ) /2 J 0 ( k2a ) + J c0 ( k2a ) ( 9) G1 = k2aJ 1 ( k2a ) + (k1a ) 2 Jc1 ( k2a ) k2aJ 1 ( k2a ) - (k1a ) 2 Jc1 ( k2a ) ( 10) 对于 H 偏振光和 V偏振光,一排纳米线的反射率和 透射率可以由式 ( 5 )和式 ( 6 )求出, R= A 2 / E 0 2, T = B 2 / E 0 2;多排纳米线有序阵列的单位厚度 ( Lm )光 学损耗 A= - 2 3b lgT,厚度 d (Lm )的多排纳米线有序阵列 的消光比为 (AH - AV ) d,插入损耗为 AVd。 AH d= - 2d 3b lgTH ( 11) AVd= - 2d 3b lgTV ( 12) 2. 2 数值计算和讨论 利用式 ( 11)和式 ( 12)计算了含银纳米线氧化铝膜 的光学损耗谱。银纳米线间距 b取 100 nm,直径 2a取 40 nm和 60 nm,厚度 d取 10 Lm。银和氧化铝的折射率 从文献 [ 425]中获得。从图 2可以看出, H 偏振光的光学 损耗随波长增加而增加, V偏振光的光学损耗随波长增 加而减小。在相同纳米线间距 100 nm时,直径 40 nm的 银纳米线消光比大于直径 60 nm的银纳米线消光比;直 径 40 nm的银纳米线插入损耗小于直径 60 nm银纳米线 的插入损耗。 图 2 含银纳米线氧化铝膜的光学损耗谱 F ig. 2 Optica l losses of the a lum ina film w ith silver nanowires 光的电磁理论指出,光是电磁波。电矢量平行于纳 米线轴向的线偏振光垂直入射时,银中的自由电子在电 场作用下沿纳米线轴向运动并与晶格碰撞, 同时部分入 射光波在金属线界面发生强烈反射。金属的吸收和反射 导致 H偏振光较大的光学损耗,出现 /消光状态0。当电 矢量垂直于纳米线轴向的线偏振光垂直入射时,相应的 电场几乎不能驱动银中的自由电子沿垂直于纳米线的轴 向运动,在这一尺度上银纳米线对光波产生瑞利散射,导 致 V偏振光很小的光学损耗。纳米线直径的增加意味着 薄膜中金属银含量的增加, 对于 H偏振光有更多的银参 第 2期 闫金良:金属纳米线阵列红外偏振器 315 与吸收和反射,对 V偏振光有更多的银参与瑞利散射。 3 实验和结果 3. 1 样品制备 将纯度为 99. 99%、尺寸为 25mm @40mm @0. 3mm 的铝片经丙酮、乙醇和蒸馏水依次超声波清洗, 在温度 500 e真空环境退火 4 h,用体积比 1: 4的高氯酸和乙醇 混合液电化学抛光。阳极氧化采用 2步阳极氧化法, 阴 极为铅版,阳极为预处理后且紧贴于抛光铜板上的铝片, 氧化区域是直径为 15mm的圆。第 1步和第 2步阳极氧 化的溶液以及直流电压相同,都是 0. 3 mol /L的草酸溶 液和 40 V电压,电解液温度 3 e ,阴极 - 阳极间隔 7 cm。 第 1步氧化时间为 6 h, 氧化电流稳定值约 7 mA。第 1 步氧化结束后倒出草酸溶液,倒入 6 wt%磷酸和1. 8 wt% 铬酸混合液常温浸泡 6 h,去除第 1次阳极氧化形成的氧 化铝膜。湿法化学刻蚀结束后,倒入草酸溶液进行第 2 次阳极氧化,氧化时间为 12 h,其他条件与第 1次相同。 多孔氧化铝膜孔间距约 100 nm,孔直径约 40 nm[ 627]。将 多孔氧化铝膜作为电沉积银的基体,在 AgNO3溶液中进 行交流电沉积。电解液组成及工作条件: AgNO3 4 g /L, MgSO4 20 g /L, C6H 8O7 # H 2O 15 g/L, pH值为 3,溶液温 度 20 e ,交流电压 10 V,交流电频率 200 H z。 3. 2 测试结果 采用激光切割技术切割含银纳米线氧化铝膜,抛光 切片的 2个截面, 使厚度近似 10 Lm。将抛光样品贴在 石英片上,用 UV23101PC型分光光度计,测量入射的线 偏振光通过含银纳米线氧化铝膜 H、V偏振光的透射率 变化。用透射率数据计算出含银纳米线氧化铝膜的光学 损耗,结果如图 3所示。 图 3 含银纳米线氧化铝膜的光学损耗测试曲线 F ig. 3Measured optica l losses of the a lum ina film with silver nanow ires 从图 3可以看出, H偏振光和 V偏振光透过含银纳 米线氧化铝膜的光学损耗差别较大,表现出明显的偏振 现象。在测量波长范围内,含银纳米线氧化铝膜的消光 比 (H偏振光和 V偏振光的光学损耗差 )高于 30 dB,插 入损耗 ( V偏振光的光学损耗 )低于 0. 8 dB。实验测得 的消光比低于理论值,原因可能有:金属铝本身存在缺 陷,导致多孔氧化铝膜的晶胞不是理想的六角密排结 构 [ 7]。多孔结构不规则使得电镀进去的金属柱相互不平 行,存在扭曲现象,密度分布也不均匀。采用电化学交流 电沉积法在多孔氧化铝膜孔内组装银纳米线阵列所制备 的银纳米线具有凹凸相间的结构 [ 8]。样品抛光面不平整 引起的光散射损失, 测量仪器本身的精度和灵敏度给测 量带来误差。制备高度有序、排列规则的多孔氧化铝膜, 优化电镀条件,使得电镀进去的金属阵列高度有序、密度 分布均匀,可望制备出高效率的红外微偏振器。 4 结 论 理论和实验研究表明,用多孔氧化铝膜合成的金属 纳米线有序阵列在红外波段显示出较好的偏振性能。H 偏振光的光学损耗源于银纳米线的吸收和反射, V偏振 光的光学损耗源于银纳米线的瑞利散射。通过优化多孔 氧化铝膜工艺和金属银纳米线组装工艺, 可以实现较高 的消光比和较低的插入损耗。这种阵列膜为微偏振器的 制备提供了新思路,具有重要的应用前景。 参考文献 [ 1 ] LI A P, MULLER F, B IRNER A, et a.l Polycrysta lline nanopore arrays w ith hexagona l order ing on a lum inum [ J]. J. Vac. Sc.i TechnolA, 1999, 17( 4): 142821431. [ 2 ] ZHENGM, MENON L. Magnetic prope rties ofN i nan2 ow ires in se lf2assembled arrays [ J] . Phys Rev, 2000, B62: 12282212285. [ 3 ] KUN IYOSH I T, MITSUNOR I S, MITSUNOBUM. Cube polarizers by the use ofmeta l partic les in anodic a lum ina film s[ J]. Applied Optics, 1994, 33( 16): 350723512. [ 4 ] PALIK E D. H andbook of optica l constan ts of solids[M]. N ew York: A cadem ic Press, 1985: 3562357. [ 5 ] LANGM L, WOLFEW L. Optical constants of fused s il2 ica and sapphire from 0. 3 to 25 Lm[ J]. App lied Optics, 1983, 22( 9): 126721268. [ 6 ] 闫金良. 多孔氧化铝薄膜的制备和光学特性研究 [ J]. 光子学报, 2005, 34( 10): 153021533. YAN J L. P reparation and optica l properties of porous a2 nodic alum ina film [ J]. Acta Photon ica S in ica, 2005, 34 ( 10): 153021533. [ 7 ] YAN J L. Spectra l investigation of porous anod ic a lum ina film [ J] . Proceed ings ofSP IE, 2005, 6029: 16223. [ 8 ] 迟广俊,姚素薇, 范君,等. 银纳米线的 TEM表征 [ J]. 316 仪 器 仪 表 学 报 第 2 8卷 物理化学学报, 2002, 18( 6): 5322535. CH I G J, YAO SW, FAN J, et a.l E lectrochem ically as2 semb led silver nanowire arrays and its structura l charac2 teriza tion[ J]. A cta Phys. Chim. S in. , 2002, 18 ( 6 ): 5322535. 作者简介 闫金良, 男, 1965年 12月出生, 1989 年于河北师范大学获得学士学位, 1993年 于长春理工大学获得硕士学位, 1998年于 北京理工大学获得博士学位, 现为鲁东大 学教授, 主要研究方向为光电材料与 器件。 地址:山东省烟台市红旗中路 184号, 264025 电话: 053526693365; E2mai:l yan jin liang9@ tom. com Yan J in liang, male, born in December 1965. H e rece ived BSc in 1989 from H ebe i Norma l Un iversity, MSc in 1993 from Changchun Un iversity of Science and Technology, and PhD in 1998 from Be ijing Institute ofTechnology. H e is currently a pro2 fessor in Ludong Un iversity. H is main research work focuses on optoelectron icmater ials and devices. Address: 184 H ongq iRoad, Yanta i Shandong 264025, Ch ina Te:l + 86253526693365; E2mai:l yan jinliang9@ tom. com 无标题