金属微纳结构的光异常透射特性与光学手性研究

发布时间：2020-03-18 10:54

【摘要】：当入射光照射在金属微纳结构的表面时,在金属表面将产生自由电子并与入射光相互耦合,最终形成一种沿着金属表面传播的近场电磁波,即表面等离激元(Surface Plasmon,SP)。SP可以分为不可传播的局域表面等离激元(localized surface plasmon,LSP)和可以传播的表面等离激化激元(surface plasmon polariton,SPP)。基于LSP和SPP特性设计的金属微纳结构已经引起了研究者的广泛关注,并已经成功应用于生物分子探测、集成光子芯片、太阳能电池、光存储等领域。本论文主要采用有限元方法(FEM)模拟仿真、分子自组装技术和倾斜角沉积技术,设计金属微纳米孔阵列研究其透射特性,制备金属手性微纳结构并研究其手性机制,通过引入石墨烯微纳结构将生物分子手性信号从紫外波段诱导至微波波段。本论文主要研究工作如下:1、本文设计了 X形金属纳米孔阵列,并研究了其光异常透射(EOT)特性。数值计算结果表明,在其透射光谱上可以明显观察到多个透射峰,通过分析电场分布发现,这些透射峰是由于纳米孔的LSP共振、金属膜上表面SPP共振和纳米孔阵列中的Fabry-Perot共振引起的。除了X形金属纳米孔阵列的结构参数,X形金属纳米孔阵列的透射特性强烈地依赖于入射光的偏振方向。这些研究结果不仅可以用于设计可调谐滤波器,并且有助于理解共振EOT现象。2、本文提出了菱形金属纳米孔阵列结构,并研究其EOT特性。数值计算结果表明,当入射光照射在菱形金属纳米孔阵列时,在菱形金属纳米孔阵列两边形成非共振电磁耦合,从而获得了宽频EOT现象和局域电场增强。此外,通过改变入射光的偏振方向和菱形金属纳米孔阵列的结构参数,可以调节非共振EOT的透射强度。这些研究结果不仅可以用于设计宽频滤波器,而且有助于理解非共振EOT现象。3、应用倾斜角沉积技术,本文提出了一种简洁的金属手性微纳结构制备方法。主要通过控制基底方位角和沉积时间,在自组装单层聚苯乙烯(PS)纳米球阵列上,制备出两片不同的厚度银纳米片,组成L形Ag纳米结构(LSANs)。实验结果表明,LSANs在可见光和近红外光波段展示出强烈的光学手性。随着两片银纳米片厚度差的增加,LSANs的圆二色性(CD)光谱的强度逐渐增强,共振峰逐渐红移。使用不同直径PS纳米球阵列为模板,制备出的LSANs同样具有上述特性。有限元数值计算表明,LSAN中的两片Ag纳米片可以提供交叉电偶极子,其厚度差可以提供光学相位差,进而产生CD。本研究不仅提出了一个简洁的金属手性微纳结构制备方法,而且有助于理解CD的产生机制。4、本文理论地分析了透射矩阵T,并提出由旋转纳米缝-纳米棒阵列(TNNAs)构成的手性金属纳米结构。有限元计算结果表明,T++和T--光谱在同一个共振波长处,分别展示透射峰和透射谷,进而产生较大的CD信号。同时,T+和T+-光谱在同一个共振波长处,分别展示透射谷和透射峰,进而产生较大的AT信号。更为重要的是同一共振波长处,CD信号和AT信号同时达到最大幅值。此外,通过改变TNNAs的结构参数也可以调节CD信号和AT信号。这些结果有助于设计负折射率介质和完美偏振转换器。5、本文中提出了一个被金属膜分离的旋转金属纳米棒阵列(TNMF)。有限元计算结果表明,除了原有的直接耦合模式,一个间接耦合模式出现在TNMF的CD光谱中。按照等效LC震荡电路,在金属膜两边的金属纳米棒阵列可以分别被看作为一个接收器和一个发射器。通过改变TNMF的结构参数,发现直接耦合模式的CD信号强度单调变化,不能用阻抗匹配来解释;间接耦合的CD信号强度可调节至最大,可以用阻抗匹配来解释。这些研究结果不仅可以用于设计新颖的手性纳米结构,而且证明了间接耦合机制也可以产生CD信号。6、本文理论地说明诱导CD是由于手性分子和微纳结构之间的等效电偶极子和磁偶极子交叉耦合引起的,并提出一种更为可靠地电磁衰减系数。为了证明这种电磁耦合理论,石墨烯被引入微纳结构,并且设计了具有高阶杂化模式的对称内切石墨烯双环阵列(IGDAs)。有限元计算结果表明,IGDAs超高阶共振可以将生物分子CD信号从紫外波段诱导至微波波段,其最大增强因子可以达到4个数量级。成熟的微波技术将更容易探测这种诱导CD信号。此外,仅仅通过改变IGDAs的费米能级就可以调节诱导CD信号,不需要从新制备IGDAs。对于不同的生物分子,电磁耦合仍然存在。这些研究结果可以有助于设计动态手性传感器,进而用于生物检测或化学分析中。
【图文】：

酒杯,表面等离激元,光学,光学波导

早在约古罗马时期，人们就己经制作出了一些具有表面等离激元特性的生活逡逑用品，例如日常生活中比较常用的酒杯。在英国博物馆中珍藏着一件特殊的酒杯，逡逑莱格拉斯酒杯（Ｌｙｃｕｒｇｕｓ邋ｃｕｐ），如图１－３所示。莱格拉斯酒杯是一件奢华的镂空逡逑雕花玻璃酒杯，代表着皇家的尊贵和典雅。除此之外，其更蕴含着表面等离激元逡逑特性。在白天自然光的照射时，莱格拉斯酒杯整体呈绿色；在晚上黑暗的条件下，逡逑将光源放进莱格拉斯酒杯内部时，整个莱格拉斯酒杯呈红色。后来研宄发现，当逡逑３逡逑

亚波长,矩形孔,零级,透射光谱

逦ｗｈｅｎ邋ｅ邋＝】逡逑ｋｘ逡逑图１－８空气、电介质以及金属／空气界面ＳＰＰｓ的色散曲线［２８］逡逑Ｆｉｇ．邋１－８邋Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ邋ｃｕｒｖｅｓ邋ｆｏｒ邋ａｉｒ，邋ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ邋ｍｅｄｉｕｍ，邋ａｎｄ邋ａｎ邋ＳＰＰ邋ｏｎ邋ｔｈｅ邋ｉｎｔｅｒｆａｃｅ邋ｂｅｔｗｅｅｎ邋ａｉｒ邋ａｎｄ逡逑ｍｅｔａｌ逡逑在图１－８中，电介质的色散关系线和金属／空气界面上ＳＰＰｓ的色散关系曲线逡逑有一交点，说明通过引入电介质可以提供一个附加相位，，使得动量匹配。这与奥逡逑托装置中使用的衰减全反射原理相似。其中一个具体的方法就是通过在金属表面逡逑放置电介质棱镜提供附加相位，使得动量匹配产生ＳＰＰｓ。另一个方案是通过引入逡逑光栅结构，应用光栅的周期特性提供附加相位，使得动量匹配产生ＳＰＰｓ。逡逑１．３光异常透射研究进展逡逑１．３．１光异常透射研究的意义逡逑１９９８年，Ｔ．邋Ｗ．邋Ｅｂｂｅｓｅｎ教授首次研宄周期性亚波长矩形孔的光学透射。他逡逑发现当金属孔的尺寸比入射光波长小时，金属孔阵列可以表现出奇异的光学透射逡逑率［３４］。金属孔阵列的光学透射率明显超过了金属孔和总面积的百分比
【学位授予单位】：陕西师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.1

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