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作者：李文斌内蒙古科技大学

学位级别：硕士

金刚石氮空位（NV）色心作为一种精密的纳米级传感器,可以通过检测色心荧光变化对磁场、电场以及温度等各种物理量进行检测,NV色心的光子检测效率对传感器的灵敏度影响巨大。然而,受金刚石/空气界面折射率梯度较高,界面全反射等因素的影... 详细信息

金刚石氮空位（NV）色心作为一种精密的纳米级传感器,可以通过检测色心荧光变化对磁场、电场以及温度等各种物理量进行检测,NV色心的光子检测效率对传感器的灵敏度影响巨大。然而,受金刚石/空气界面折射率梯度较高,界面全反射等因素的影响,色心能够被收集的荧光强度较弱,这在一定程度限制了其检测精度。基于纳米柱阵列的HE波导模式将光子耦合到纳米柱中,可以显著提高NV色心的荧光强度和收集效率。然而,现在纳米柱阵列制备较为困难,其中规则掩膜的制备是一大难点。目前光刻技术虽然可以实现排布有序、大小统一的掩膜制备,但是,因其制备成本过高,在一定程度上制约了其在金刚石纳米柱阵列制备中的应用。本文采用理论仿真与实验制备相结合的方法,针对低成本制备金刚石纳米柱阵列这一问题展开系列研究。首先,采用第一性原理计算方法,研究氧原子在全氢终止金刚石表面、局部氢缺陷金刚石表面和清洁金刚石表面吸附及解离过程,分析氧原子对金刚石的刻蚀过程和刻蚀机理。通过计算氧原子吸附在完全氢终止金刚石、局部氢缺陷金刚石表面各个高对称位时吸附能和键长大小,探究全氢终止金刚石表面刻蚀为清洁金刚石表面的过程。通过计算氧原子在清洁金刚石表面与碳原子的吸附和碳原子间键长变化,判断氧原子对清洁金刚石的刻蚀条件,揭示氧原子对金刚石的刻蚀机理。其次,采用物理气相沉积方法,结合金属脱湿工艺,通过控制金属膜高温退火过程,研究退火温度、金属膜厚度对金刚石纳米柱掩膜尺寸、分布规律的影响,实现可控金属掩膜的制备。采用电感耦合反应离子刻蚀技术,通过控制氧刻蚀金刚石的过程,研究刻蚀功率对纳米柱尺寸和间距的影响,实现低成本可控的金刚石纳米柱的制备。最后,利用聚苯乙烯小球自组装特性,结合金属沉积工艺,通过研究分散条件、刻蚀功率、偏置功率、刻蚀时间对阵列刻蚀掩膜尺寸、分布、间距的影响规律,实现阵列刻蚀掩膜的制备。结合电感耦合反应离子刻蚀技术,讨论刻蚀工艺参数对纳米柱尺寸和结构的影响,实现低成本可控的金刚石纳米柱规则阵列的制备。

关键词：金刚石纳米柱第一性原理刻蚀机理纳米阵列聚苯乙烯小球

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金刚石纳米柱光学仿真及实验探究

金刚石纳米柱光学仿真及实验探究

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作者：陈成斌内蒙古科技大学

学位级别：硕士

金刚石内部含有大量的空位色心,然而块体金刚石中色心发射的光子数量较低,因此,为了提高光子数量,人们提出了多种结构,其中纳米柱结构备受关注。研究表明,纳米柱结构能比块体结构发射的光子数提高一个数量级。因为金刚石纳米柱是实现色... 详细信息

金刚石内部含有大量的空位色心,然而块体金刚石中色心发射的光子数量较低,因此,为了提高光子数量,人们提出了多种结构,其中纳米柱结构备受关注。研究表明,纳米柱结构能比块体结构发射的光子数提高一个数量级。因为金刚石纳米柱是实现色心单光子源增强的有效结构,同时提高纳米柱内部电场强度能够有效增强发射光子数量,所以纳米柱内部场强分布及场强最大值将对金刚石色心放置的位置提供有效参考。本文通过时域有限差分(FDTD)法模拟仿真金刚石纳米柱的结构尺寸、泵浦光波长以及纳米柱阵列间距等因素对金刚石纳米柱内部电场强度的影响,从中找到最优参数下纳米柱中电场强度的最大值。同时,探究金刚石纳米柱阵列的实验制备方法。研究的主要内容和获得的主要结果如下:首先研究了单个金刚石纳米柱内部的光场分布及电场强度的影响因素。通过探究得知,金刚石纳米柱内部的光场分布受纳米柱尺寸和泵浦光波长的影响较大。通过改变纳米柱的直径、高度和泵浦光波长,得到了纳米柱内部场强分部与尺寸的关系以及纳米柱内部场强最大值与尺寸和波长的关系,并且找到了内部场强最大时最优的结构尺寸。结果表明,泵浦光波长一定时,纳米柱内部场强最大值随纳米柱尺寸呈周期性变化,并在一定范围内存在极大值和最大值;纳米柱尺寸范围一定时,纳米柱内部场强最大值点随泵浦光波长最大而移动,但整体趋势近乎不变。进而得到了当泵浦光波长为532nm时,金刚石纳米柱内部场强最大值为16.673V/m,其对应的纳米柱直径为825nm、高度为631nm,最大值点位于距离纳米柱下表面599nm的中轴线上。然后仿真了两个纳米柱和3×3纳米柱阵列中纳米柱内部光场分布。研究了金刚石纳米柱柱间距对纳米柱内部光场得影响,并且找到了纳米柱内部场强最大时的最优柱间距以及场强最大值点到纳米柱底部的距离。结果表明,当泵浦光波长和纳米柱结构尺寸保持不变时,随着柱间距的增加,对于两个纳米柱,内部场强最大值总体呈现出先增大后减小最后稳定不变的趋势,而场强最大值点则总体呈现出先减小最后稳定不变的趋势;对于3×3纳米柱阵列,内部场强最大值总体同样呈现出先增大后减小最后稳定不变的趋势,而场强最大值点则呈现出先减小后增大最后稳定不变的趋势。最后探究了制备金刚石纳米柱阵列的实验方法。通过使用两种不同的实验方法制备了金刚石纳米柱阵列。一种是通过使用多孔阳极氧化铝(AAO)模板,自下而上的生长金刚石,进而制备出金刚石纳米柱阵列;一种是通过使用金属粒子作为掩膜,自上而下的刻蚀金刚石,进而制备出金刚石纳米柱阵列。

关键词：金刚石纳米柱时域有限差分法电场强度实验制备

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泵浦光激发下金刚石纳米柱内部光场的研究

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低温物理学报 2021年第1期43卷 53-60页

作者：谭心陈成斌贺占清张博晨内蒙古科技大学机械工程学院

金刚石纳米柱是实现色心单光子源增强的有效结构,而纳米柱结构尺寸决定泵浦光对色心的激发强度.本文为提高其激发效率,采用时域有限差分法(Finite Difference Time Domain, FDTD)研究金刚石纳米柱的光学性质.通过仿真分析了纳米柱直径... 详细信息

金刚石纳米柱是实现色心单光子源增强的有效结构,而纳米柱结构尺寸决定泵浦光对色心的激发强度.本文为提高其激发效率,采用时域有限差分法(Finite Difference Time Domain, FDTD)研究金刚石纳米柱的光学性质.通过仿真分析了纳米柱直径和高度对内部电场强度的影响.结果表明,在泵浦光波长为532 nm时,纳米柱内部中轴线上场强受尺寸变化影响较大,当直径不变、改变高度时,场强最大值随高度周期性变化,周期约为150 nm;当高度不变、改变直径时,场强最大值也随直径周期性变化,周期约为150 nm.通过研究不同波长的泵浦光对金刚石纳米柱内部中轴线上电场分布的影响发现,不同波长的泵浦光对纳米柱内部中轴线上最强场强对应的纳米柱尺寸有较大影响,但对于纳米柱最大场强随纳米柱尺寸变化的趋势几乎没有影响.本文通过研究上述内容,较为全面地掌握了纳米柱尺寸及泵浦光对纳米柱内部电场强度的影响规律,找到了纳米柱内部中轴线上最强场强位置,确定了激发色心的效率最高值所在位置,为金刚石纳米柱单光子源的制备提供理论指导.

关键词：金刚石纳米柱色心 FDTD 泵浦光

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金刚石纳米阵列的实验制备与表面性质研究

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作者：车轩墨内蒙古科技大学

学位级别：硕士

金刚石的组成为sp3杂化的碳原子,由于金刚石独特的性能,使纳米金刚石材料在医学传感器,纳米生物探针,包括循环肿瘤细胞监测中有着具大的应用潜力。然而目前仍然存在制备方法不够完善,金刚石纳米尺寸结构和形状控制较难,以及金刚石纳米... 详细信息

金刚石的组成为sp3杂化的碳原子,由于金刚石独特的性能,使纳米金刚石材料在医学传感器,纳米生物探针,包括循环肿瘤细胞监测中有着具大的应用潜力。然而目前仍然存在制备方法不够完善,金刚石纳米尺寸结构和形状控制较难,以及金刚石纳米尺寸与性质联系尚未明确的问题。本文针对金刚石纳米阵列结构的制备方法进行深入研究,并对金刚石纳米阵列(纳米柱)的模型构建和表面性质进行探究。本文首先针对金刚石纳米阵列最常用的制备方法金属掩膜法,以铝掩膜为例进行了理论研究。通过第一性原理方法,计算了氢终止金刚石表面上铝原子的吸附与迁移行为。结果分析发现Al原子的吸附能较弱(0.2e V),但迁移性较好(激活能约为0.01 e V),这说明铝原子在金刚石表面为物理吸附。同时电荷密度的分析可知铝原子和氢原子之间没有形成化学键,只有较少电荷转移。结合分子动力学模拟实验高温退火过程,对金刚石/Al界面进行分析可知:这种界面不存在能量稳定性,在如温度场等作用下容易失稳,形成非润湿性界面。由此猜测在制备金刚石纳米阵列时,这种沉积态Al薄膜热处理后形成的纳米铝小球,其尺寸和分布主要取决基底材料的表面形貌。结合理论研究,本文通过微波等离子体化学气相沉积技术(MPCVD)制备了质量良好的金刚石薄膜,并以此通过铝掩膜法结合磁控溅射技术(PVD)和反应离子刻蚀技术(ICP)完成了金刚石纳米阵列的制备,金刚石纳米柱结构完整,呈现锥形,金刚石纳米柱高度约为492nm-1160nm。为了解决由于金刚石表面形貌导致金属铝掩膜的分布和尺寸随机的问题,本文提出一种基于阳极氧化铝(AAO)模板的金刚石纳米阵列制备方法。通过不同实验参数优化,制备了按一定规律分布,高度趋于一致,纳米柱直径约为300nm,高度约为100nm的金刚石纳米阵列。这种改进方法解决了制备金刚石纳米阵列的尺寸和分布随机的问题,实现了对金刚石纳米阵列的结构控制。最后通过MPCVD沉积法,在AAO模板当中生长制备了金刚石纳米阵列。从实验结果来看制备的阵列虽然存在部分纳米柱结构,但还存在一定制备工艺问题。金刚石纳米柱的模型结构优化发现:纳米柱尺寸较小时,结构为非稳定结构。只有当尺寸达到一定时,纳米柱才趋于稳定。金刚石表面如果不加以修饰,表面(1～2原子层)也可能发生重构。该结论对金刚石纳米结构在主要依靠表面性质的医学传感器应用中有所帮助。金刚石纳米柱表面吸附氧原子的计算发现:纳米柱上表面和柱周表面吸附性能存在差异,即柱周表面的侧面吸附位的吸附能,均大于上表面的三重洞位。侧面吸附位的吸附能约为8.214e V左右,这也说明了金刚石纳米柱拥有良好吸附性能。这种吸附性能的差异对医学传感研究,特别是肿瘤细胞的捕获,具有重要意义,同时也为金刚石基底的多元偶联复合抗体研究提供了一定的理论支撑。

关键词：金刚石纳米阵列铝掩膜法 AAO 金刚石纳米柱表面性质

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