纳米结构的奇异光学效应及其应用近年来引起了人们的普遍关注。利用特定形态的金属、介质纳米结构及其复合结构可实现对光学过程如光散射、吸收、透射等的管理和调控，在器件、能源、通信甚至生物医学等领域均具有重要应用。利用介质纳米结构实现各类光电转换器件中的“光管理”，金属纳米结构等离激元增强光学过程，以及基于金属/介质纳米结构复合的“超材料”等均是目前研究的热点。　　对于介质纳米结构而言，有效折射率是表征其光学特性的关键参量，而有效折射率和纳米结构的特定形貌息息相关，因此，介质纳米结构的可控制备是实现其光管理过程的关键;金属纳米结构增强的光学效应来源于表面等离激元共振现象，表面等离激元增强效应在诸多领域已有深入的应用，如表面增强拉曼、等离激元增强半导体吸收以及等离激元增强发光/光提取等，然而大多增强过程的物理机制还有待进一步探讨。光学效应增强和金属纳米结构本身的性质密不可分，特别是基于等离激元的金属/介质纳米结构的局域耦合近年来引起了人们极大的研究兴趣，由此得到的对电磁波完美操控的超表面在光电转换器件、高灵敏的传感、探测芯片以及隐身涂层等领域都有广阔的应用前景。本文基于以上几方面问题做了以下特定的研究:(1)在纳米结构的制备方面，以团簇束流沉积等手段，探讨了若干特殊形态的金属和介质纳米结构的制备方法;(2)在物理机制研究方面，主要探讨了折射率可调的介质多孔纳米粒子薄膜的光学减反和全内反射光提取过程的物理机制、基于金属纳米粒子点阵实现近场/远场转化过程的物理机制以及基于表面等离激元无序超表面的全吸收物理机制等;(3)应用方面，探讨了折射率可调的介质纳米结构和金属纳米粒子点阵对光电转换器件性能的优化以及全吸收超表面在表面增强拉曼中的应用。所取得的主要结果如下:　　利用掠角团簇束流沉积技术实现了孔隙率和折射率可控的高折射率介质纳米粒子多孔薄膜的制备。阐明了团簇束流掠角沉积过程中的“自掩膜”效应并用于制备微观上呈柱状堆积形态的多孔纳米粒子薄膜。实验表明，多孔结构的有效折射率可通过其孔隙率调节，而孔隙率则可通过改变沉积角度进行控制，因此，可以通过改变沉积角度可精细调节纳米结构的有效折射率。另一方面，利用团簇束流沉积技术制备了尺寸和覆盖率精细可控的Ag纳米粒子点阵，并将固态薄膜退湿法用于制备大尺寸稀疏纳米粒子点阵，与团簇束流沉积技术形成功能互补。此外，通过系统的实验，给出了利用固态薄膜退湿法制备Ag纳米粒子点阵的“互补相图”，根据相图，只要确定沉积Ag膜的厚度和退火温度即可实现特定形貌纳米粒子点阵的制备。　　论文研究了介质纳米粒子多孔薄膜的两大光管理（光学减反和全内反射光提取）过程:　　(1) TiO2纳米粒子多孔薄膜具有增强透射特性，通过在石英玻璃衬底表面制备TiO2纳米粒子多孔薄膜，使其透光率在400～800 nm波长范围内平均增加了2％，该透射增强现象归因于多孔纳米结构的梯度折射率效应。此外，这种宽带的透射增强现象还具有偏振依赖特性，在p-偏振光透射实验中观察到了其透射率的角度选择性，起源于掠角沉积过程中TiO2纳米粒子的各向异性堆积。(2)研究了TiO2纳米粒子多孔薄膜结构的全内反射光提取特性。实验发现，TiO2纳米粒子多孔薄膜能够有效提取受限于介质内的全内反射光，而且提取效率与纳米孔隙分布密切相关:随着孔隙的增大，光提取效率大幅增加。通过分析提取光的光谱分布，发现增强瑞利散射是其全内反射光提取的主导机制;(3)将高折射率介质纳米粒子多孔薄膜作为光提取层制备在GaN基蓝光LED管芯的表面，实现了LED光致发光92％提升以及电致发光30％的增加。更重要的是，作为LED中的光提取层，这种纳米结构还可以与传统的微米粗化表面方法结合使用，在原有提高的基础上实现出光效率的进一步增加。因此，我们设计了两种微米-纳米多形性复合结构—多重倾斜表面微结构/ZnO纳米粒子多孔薄膜复合结构以及PS微球/ZnO纳米粒子复合结构，用于LED的光提取层，分别使SiC衬底的倒装大功率蓝光LED管芯和Al2O3衬底的大功率LED管芯的出光效率增加了59％和77％。　　本文还系统研究了Ag纳米粒子点阵将隐逝场转化为远场辐射的物理机制。定量测量了不同尺寸和覆盖率的Ag纳米粒子点阵的全内反射光提取效率，发现大尺寸的稀疏纳米粒子点阵在能够高效提取全内反射光。借助于FDTD模拟，阐明Ag纳米粒子点阵的等离激元共振光散射是其近场/远场转化过程的主导物理机制，辐射模式可在纳米粒子间距较大的点阵中激发，而纳米粒子间距足够小时将产生传播的等离激元波导模式。此外，实验还发现，在Ag纳米粒子点阵将全内反射产生的隐逝场散射为远场辐射的过程中，背向散射的效率更高。将上述研究结果应用于LED的发光增强，在与LED出光面相反的表面制备大尺寸稀疏Ag纳米粒子点阵作为光提取层，能够有效提取限制在LED内部的全内反射光，并避免对非全反射的出光产生衰减，使LED的电致发光出光功率提高80％以上。　　研究了Ag纳米粒子/介质间隔层/Ag膜复合纳米结构的局域耦合及等离激元光学性质。设计并制备了一种通过在覆盖有介质隔离层的Ag膜表面沉积Ag纳米粒子以实现完美吸收的复合结构。实验发现，复合结构超表面的反射率可通过改变结构的几何参数（Ag纳米粒子覆盖率和介质隔离层厚度）加以调节。在特定隔离层厚度和Ag纳米粒子覆盖率下，超表面显示出了几近完美的可见光全吸收特性。全吸收的产生可归因于Ag纳米结构的表面等离激元局域耦合产生的“干涉效应”:由于超结构中同时存在电场共振和磁场共振，而共振时产生的表面电流和表面磁流相互抵消，最终导致了远场的相消干涉。在该耦合结构中，由于存在全吸收和极大的电场增强，可实现增强因子达109量级的表面拉曼增强光谱。