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金属纳米结构局域光场增强和Fano共振理论研究

张艺  
【摘要】:金属纳米结构能够支持表面等离激元共振,为人们提供了一种打破衍射极限,将传统光学推向亚波长纳米光学的方法。它有望应用于纳米尺度的光信息传输与处理,提高器件的微型化和集成化,促进现代信息技术发展。表面等离激元共振对其周围环境变化非常敏感,而且能够导致很强的局域电场增强,能够应用于表面增强光谱探测和生物化学传感探测器,有望将探测灵敏度推向单分子水平。本文重点研究表面等离激元共振的增强和耦合特性,设计了不同的金属纳米结构,理论研究了局域光场的电场增强和其Fano共振特性,主要取得了如下创新性结果: (1)现在很多研究小组都将注意力集中在使用针尖和狭缝结构去提高表面电场的强度。对于这两种结构来说,针尖的尖度和狭缝的宽度起了决定性作用。但是由于受到实验条件的限制,针尖的尖度和狭缝的宽度很难无限度的提高,所以寻找新的提高表面电场增强的方法显得非常重要。在本论文中,我们利用有限元模拟软件Comsol设计了一种同时包含针尖和狭缝的同心月牙圆盘结构,研究了在平面波光场照射下其局域电场增强(LFE)因子随结构参数的变化。在这种结构中,月牙结构的四极共振模式和狭缝的四极共振模式正好能够形成完美匹配,导致表面电场增强2-3个数量级。另外,通过改变结构的大小,其四级共振峰能在400到800nm波段内调谐。 (2)在同心月牙圆盘结构中,其四极共振模式由于针尖和狭缝的耦合能够导致近700倍的电场增强,但是偶极和六极共振峰的电场增强没有出现明显的提高。另外其四极共振峰的电场增强仍然没有达到单分子探测水平。在本文中,我们进一步设计了偏心月牙圆盘结构,求解了其LFE因子随着结构参数的变化。在这种结构中,月牙与月牙形狭缝的共振模式非常类似,所以各极次共振模式都能够达到最佳匹配。偏心月牙圆盘结构的二极和六极峰电场增强能够达到700倍,其共振峰在可见和近红外波段可调,极大的提高了月牙圆盘结构的调谐性能。偏心月牙圆盘结构四极峰的LFE因子能够进一步提高到1400倍,为表面增强光谱学达到单分子探测水平提供了一种新思路。 (3)表面等离激元结构之间的耦合能够形成Fano共振,降低金属的损耗,导致高的LFE。实验已经证实利用表面等离激元结构的Fano共振能够极大的提高生物传感和表面增强拉曼散射信号的灵敏度。金属圆环结构是一种具有高度调谐性能的纳米结构,能够支持多级暗态共振模式(dark mode)。在本文中,我们利用有限元模拟软件Comsol设计了包含两个不同尺寸的相邻圆环结构(非对称双圆环结构),求解了它的消光谱。在这种结构中,大圆环的多极共振模式能够被小圆环的偶极共振模式激发。Fano共振能够通过激发大圆环的六极和八极共振峰来实现,这大大提高了圆环结构的Fano共振的调谐性。Fano共振将增加圆环结构的共振灵敏度,从而拓展它在高灵敏度化学和生物传感中的应用。


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