- 文献综述（或调研报告）：
1、正文
随着微加工技术和纳米技术的迅速发展，表面等离子体技术在光电子器件的微型化和集成化上得到了广泛应用，它在光伏电池、光电探测器和发光二极管等领域受到了极大关注[1-2]。对于金属能够产生表面等离子体激元效应已经有人做过研究。国内的王素杰等人做过关于金纳米颗粒在石英基片上的表面等离子激元效应研究，在石英基片上组装单层排列均匀的SiO2微球后,溅射制备的金纳米颗粒结构产生了明显的表面等离子激元效应[3]。佟建波等人发现将纳米Ag颗粒引入NaYF4材料中，光吸收特性得到了优化，使得300—800 nm全光谱范围内增益达28%,在544 nm处获得最大增益55% [4]。国外Kawachiya等人研究发现，周期性的等离子体纳米柱状阵列能够产生表面等离子体激元（SPPs）并同时在阵列平面中维持光学衍射[5]。因此光能可被有效地困在阵列的平面上，以达到控制光的目的。这表明表面等离子体激元效应的研究已经有一定的进展。虽然金和银具有很好的稳定性，在长期操作的过程中是必不可少的，但如果预期是大规模制造，那就会大大增加成本。相较于价格昂贵的金和银，金属铝则是一个十分实惠的选择。金属铝不仅广泛应用于晶体管、集成电路以及太阳能领域之中[6-7]，同样能够产生表面等离子体激元效应。Shi Xiaoqin等人通过实验发现金属铝纳米粒子和金刚石半导体之间作用的互补光学性质使它们在225nm处的光谱响应为裸钻探测器的10倍[8]。He Ju等人发现在基于AlGaN的多量子肼中引入铝纳米颗粒，在SiO2介质上耦合，内部的量子效率得到了2.3倍的提高[9]。国外的Paul等人发现选择铝离子作为等离子体材料是一种具有效益的方法[10]。以上事实证明了铝材料在紫外波段激发等离子激元并进行探测是具有可行性的。
阵列的结构、形状以及纳米颗粒的大小和间距正是我们感兴趣的内容。华东师范大学精密光谱科学与技术实验室的李朝等人做过关于金属纳米二聚体的局域表面等离子体激元共振特性的研究，他们使用的是金属金，发现通过局域表面等离子体激元的相互作用，会实现局域电场的加强[11]。长春理工大学马光辉等人发现与其他结构相比,球形金属纳米颗粒具有更显著的局域场增强效应[12]。所以在仿真时，可以考虑具有周期性结构的球状铝纳米颗粒作为本课题模型的基础。至于颗粒的大小和间隙，国内的Wang Jin等人有过详细的研究。该研究发现了，通过改变纳米颗粒和纳米间隙的尺寸可以控制可调等离子体纳米颗粒和光谱响应[13]。实验得到电场强度的提高和其峰值的位置分别受到对称和非对称系统中纳米粒子部分的几何特征以不同方式所产生的影响。通过调整非对称系统的参数可以获得较高的紫外波长增强比，这对于提高深紫外LED性能具有极大的潜力。研究者一开始做的是改变纳米颗粒大小的实验，随着单个铝（Al）纳米颗粒直径从30nm增加到100nm，最高峰位置从184nm变为214nm，解释为不同尺寸的纳米颗粒在表面等离子体激元（SP）吸收波长上有助于与不同频率重叠。而且，谐振幅度随着铝（Al）纳米颗粒（NP）的直径增加而增强。较大的Al纳米颗粒由于其具有较大的吸收截面，较高的极化率和较大的辐射率而可以激发更多的电磁能量[14]。接下来做的是保持两个铝（Al）纳米颗粒的间距为值，发现在d1 = d2 = 90nm时，峰值位置在约264nm处且获得最大的增强。可以发现，随着铝（Al）纳米颗粒直径从20nm增加到100nm，红色曲线上的增强峰从220nm变为276nm，相应地，场大小的增强率也同时提高。光提取效率(LEE)的增强与表面等离子体激元（SP）在纳米颗粒(NPs)上的自耦合有关，纳米颗粒（NPs）的直径的进一步增加可导致表面等离子体激元（SP）的自耦合更强，这导致表面等离子体激元（SP）能量 - 动量色散关系的失效[15]。值得注意的是，纳米颗粒(NPs)直径超过90nm时，增强率的幅度下降，这归因于较大的金属颗粒耗散会导致表面等离子体激元(SP)损失。我们在考虑设计自己的仿真结构时，也要考虑颗粒与颗粒之间的相互影响。这篇论文给我们在选择颗粒大小和间隙的时候，提供了十分有帮助的参考。
本课题的最终目标是设计并制备利用铝纳米颗粒进行表面等离子激元增强效应的深紫外探测器，所以在做仿真的时候，某些参数的考虑也要同实际相结合。在实际器件制作的过程中，退火是十分重要的一个步骤，这一步直接影响到之后SiO2表面上形成的铝纳米颗粒的大小和间隙，对器件制作的成功与否至关重要，往往实验时需要考虑的两个因素便是退火时间及薄膜厚度。在查阅了一些关于退火的相关文献中， 马守宝等人在石英基底上制备了铝(Al)薄膜,同时加热烘烤制备了Al纳米颗粒,研究了不同厚度的Al纳米颗粒的吸收特性。结果表明,随着烘烤温度的上升,Al薄膜的粗糙度越来越大;当温度达到300℃时,Al薄膜完全转化成Al纳米颗粒[16]。所以由此可见，在石英衬底上制备铝薄膜并退火形成铝纳米颗粒的方法是可行的，可用作我们制作实际器件的参考。国外的Wibowo等人将铝薄膜沉积在玻璃上，基板采用热真空蒸发器（真空蒸发器是为了防止金属铝在加热的时候发生氧化）[17]。然后将这些薄膜在100℃，200℃，300℃，400℃，500℃退火一个小时，采用原子力显微镜（AFM）以及场发射扫描电子显微镜（FESEM）对退火后Al薄膜的表面形貌进行了观察，并使用四点探针来表征电学特性。实验结果发现铝膜的粗糙程度从退火之前的8.5nm减少到了现在的7.7nm,颗粒的尺寸也从127nm逐渐增加至135nm。而且薄膜的电阻率也从2.32*10-5ohm.cm减少到了1.9*10-5ohm.cm当样品逐渐从100℃退火至400℃。所以在做仿真时，材料阻值的选取也是一个不可忽略的重要因素。
根据以上内容来看，就目前来说，研究者们已经对表面等离子体激元效应有一定的了解，并将金银等贵金属应用到了制作探测器件之中，但是受限于成本的限制，无法实现大规模的制造。本课题是想通过研究金属铝的表面等离子体激元效应并将其应用到紫外探测器件的制作中，来实现代替贵金属的目的，从而能够大规模制造。
- 参考文献
[1]王纯子,黄凯.局域表面等离子体激元在光电器件中的应用[J].宜春学院学报,2015,37(03):14-17 57.
[2]陈燕坤,韩伟华,李小明,杜彦东,杨富华.突破衍射极限的表面等离子体激元[J].光电技术应用,2011,26(04):39-44.
[3]王素杰,罗飞,刘大博,田野,滕乐金.金纳米颗粒在石英基片上的表面等离子激元效应研究[J].贵金属,2018,39(02):49-53.
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