基于纳米压印和等离激元等效电路理论的亚波长光学结构研究

发布时间：2020-06-18 08:24

【摘要】：表面等离激元已成为纳米光子学领域中的重要组成部分,主要有表面等离激元和局域表面等离激元两种电磁波传输模式,电磁波与金属纳米结构在一定条件下能发生表面等离激元共振的效应。在微纳器件的加工工艺中,由于纳米压印技术具有成本低、分辨率高和可复制性好等优点,纳米压印技术正不断应用于实际工业生产中。先进的纳米工艺使制备具有表面等离激元振特性的金属纳米结构成为可能,可应用于光学信息存储、生物化学传感、光电检测等领域。本文利用纳米压印技术制备周期性金纳米孔洞阵列结构,利用有限元法进行数值模拟计算并分析周期性金纳米孔洞阵列结构的光学性质;利用有限元法和等离激元等效电路理论对周期性金属-介质-金属亚波长结构进行研究和拓展。主要工作内容及结果如下:利用纳米压印技术对周期性金纳米孔洞阵列结构进行研究,经过纳米压印、等离子刻蚀以及蒸镀金属等一系列实验步骤制备周期性金纳米孔洞阵列结构,同时利用有限元法建立电磁模拟仿真模型,计算周期性金纳米孔洞阵列结构的光学性质和电磁场分布。由于入射光与周期性金纳米孔洞阵列结构产生表面等离激元效应,电磁波被束缚在金纳米孔洞边缘,在金纳米孔洞边缘电磁场强度最强。通过改变周期性金纳米孔洞阵列结构周围介质环境的折射率,可得到周期性金纳米孔洞阵列结构的反射率灵敏度。利用基于有限元法的COMSOL Multiphysics软件对周期性金属-介质-金属亚波长结构进行电磁模拟仿真,并利用等离激元等效电路理论,结合对电阻R、电感L和电容C的数值计算谐振波长,当谐振波长发生偏移时,在保持介质层宽度不变时计算出对应的相同介质的厚度,并与电磁模拟计算结果进行对比分析。对周期性金属-介质-金属亚波长结构进行拓展,在传统滤波器的基础上可以实现近红外波段的超材料滤波器,并能构建宽带的完美吸收体。
【学位授予单位】：厦门大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN011;TB383.1;O441
【图文】：

图１－２金属与介质的表面等离激元波［１４］⑻电子和电磁场分布；（ｂ）电磁场指数衰减；（ｃ）色逡逑散曲线逡逑图１－２为金属和介质之间的交界面处所产生的表面等离激元波及其电磁场和逡逑表面电荷特性。如图ｌ－２（ａ）所示，在金属和介质的交界面处的金属中的自由电子逡逑会发生移动，电场在交界面处产生增强，磁场沿ｙ轴方向。图ｌ－２（ｂ）中，垂直于逡逑交界面的场分量随着与交界面的距离变化而变化，在交界面处电磁场被束缚，形逡逑成场增强效应。金属层上面为介质层，介质一般为空气或者玻璃，介质中的电场逡逑衰减长度知为入射光的半波长量级，金属中的电场衰减长度由金属本身的趋肤逡逑深度决定。假设上部介质的介电常数为＆，下部区间金属的介电常数为ｓｍ，，通逡逑过求解近似边界条件下的Ｍａｘｗｅｌｌ方程，可以得到ＳＰＰｓ的色散关系为：逡逑Ｋｗ邋＝邋￣逦（１－２４）逡逑ｃ邋ｙｊ邋ｓｄ＋ｅｍ逡逑由公式（１－２４）可见

ＴｆｆｆｌＸ逡逑图１－３金属纳米颗粒的局域表面等离激元共振［ｌ９］逡逑如图１－３所示为金属球的局域表面等离激元共振的示意图，当光入射至球形逡逑金属纳米颗粒时，金属中的自由电子会形成集体振荡，金属纳米粒子的局域等离逡逑激元共振，金属纳米颗粒表面附近的电场强度会大大增强，电场在金属纳米颗粒逡逑表面上最大，随着距离增加，电场强度会迅速减小，在谐振频率点处对电磁波的逡逑形成极大的束缚，从而导致电场增强。逡逑金属纳米颗粒有规律地排列聚集在一起时构成金属纳米颗粒周期结构，局域逡逑表面等离激元发生共振耦合现象，电磁波被耦合在金属周期结构中。局域表面等逡逑离激元共振频率与金属颗粒的大小、形状和周围介质环境等因素相关［１５］，局域表逡逑面等离激元共振在光电检测［１６］、光学传感器［１７

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本文编号：2718971