金属-纳米薄膜复合结构中的表面等离激元特性研究
发布时间：2020-12-14 23:38
表面等离激元（Surface Plasmon Polaritons,SPPs）通常是指金属表面自由电子与光场相互作用形成的电磁振荡。石墨烯在中红外到太赫兹波段具有类似金属的光学性质,在其表面也能够激发出SPPs,即石墨烯表面等离激元（Graphene Plasmons,GPs）。由于GPs的波长比入射光在真空中的波长小得多,其局域性相较于金属SPPs更强,在实验上直接表征极为困难。此外,由于金属SPPs的局域场增强效应,将金属同二维半导体量子材料相结合,借助SPPs可以增强光与纳米量子体系的相互作用。反之,将纳米薄膜复合进金属纳米结构,也可以对金属SPPs产生影响并进行调控。金属与二维材料、纳米薄膜构成的复合结构呈现出与单体金属或二维材料不同的光学性质,对其中的表面等离激元性质开展研究,不仅可以加深人们对光与物质相互作用的认知,还可以促进纳米光学器件的设计和开发,因而具有重要的理论和应用价值。本文通过制备不同的金属-纳米薄膜复合结构,实验研究了GPs的激发和表征、二维材料中激子与SPPs的相互作用以及SPPs的动态调控。首先,借助金属光栅在石墨烯中激发出GPs并利用光诱导力显微镜对其近...
【文章来源】：华中科技大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：122 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
金属的LSPR（a）和SPPs（b）模式示意图
华中科技大学博士学位论文4被有效地放大[46,48-53]。在共振条件下，金属表面电磁场强度的增强倍数可以达到数十到数百倍不等。强局域场可以有效地与金属表面的物质产生相互作用，进而对分子拉曼信号、染料分子荧光等弱信号产生若干数量级的增强[27]。最后，LSPR的产生受金属纳米结构的材料、形状、尺寸、周围电介质环境等条件影响[54-56]，大大增加了人们操控光子行为的自由度。图1-2介绍了金纳米颗粒的粒径大小对LSPR特性的影响。特定的金属材料和几何结构对LSPR激发光的共振波长具有选择性[44]。由于LSPR的共振波长对周围环境等条件十分敏感，LSPR在化学、生物和医学诊断等应用中可以实现超灵敏检测[27]。利用金属结构LSPR特性制备的光学传感器可以在可见-近红外波段产生视觉可分辨的信号传感，能够降低检测系统的成本和检测工作的复杂程度[48,53]。图1-2金属纳米颗粒的粒径对LSPR特性的影响。粒径远小于光波长的情况下，（a）LSPR电场分布示意图和（c）消光截面。粒径与光波长相当的情况下，（b）LSPR电场分布示意图和（d）消光截面[27]。图1-1（b）给出了SPPs的电场分布示意图。不同于LSPR中电磁场的局域共振特性，SPPs具有沿着金属表面的传播矢量，能够在金属表面以倏逝波（EvanescentWave）形式传播。通过在包含有金属和电介质材料的两个半无限空间中求解麦克斯韦
华中科技大学博士学位论文5方程组，获得SPPs模式的色散关系[1]mSPPs0dmdkk（1-3）其中d，m分别为介质和金属的介电常数。在可见光到近红外波段，金属的介电常数的实部通常为一个较大的负数。由1-3式可知，kSPPs始终大于介质中平面光波的波矢d1/2k0。SPPs的传播波长为=2/Re(kSPPs)，因此SPPs的传播波长小于同频率下介质中平面光波的波长。激发SPPs需要使激发光具有与kSPPs相同的波矢，因此需要补偿激发光与SPPs之间的波矢失配。图1-3常见的SPPs激发方式。Kretschmann（a）和Otto结构（b）棱镜耦合激发。（c）周期性结构耦合激发。（d）近场散射激发[25]。图1-3介绍了几种常见的激发SPPs的方法，包括棱镜耦合、光栅耦合以及近场激发等。棱镜耦合可以采用Kretschmann和Otto结构，如图1-3（a）和（b）所示。两种棱镜耦合激发的区别在于：Kretschmann耦合棱镜激发的SPPs在金属的下表面传播，只适用于金属薄膜中SPPs的激发。Otto耦合棱镜激发的SPPs在金属的上表面传播，棱镜和金属之间需要用折射率较大的匹配液填充。图1-3（c）所示为周期性光栅耦合入射场激发SPPs示意图。得益于现代微纳加工技术的迅速发展，周期性结构的
本文编号：2917220
【文章来源】：华中科技大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：122 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
金属的LSPR（a）和SPPs（b）模式示意图
华中科技大学博士学位论文4被有效地放大[46,48-53]。在共振条件下，金属表面电磁场强度的增强倍数可以达到数十到数百倍不等。强局域场可以有效地与金属表面的物质产生相互作用，进而对分子拉曼信号、染料分子荧光等弱信号产生若干数量级的增强[27]。最后，LSPR的产生受金属纳米结构的材料、形状、尺寸、周围电介质环境等条件影响[54-56]，大大增加了人们操控光子行为的自由度。图1-2介绍了金纳米颗粒的粒径大小对LSPR特性的影响。特定的金属材料和几何结构对LSPR激发光的共振波长具有选择性[44]。由于LSPR的共振波长对周围环境等条件十分敏感，LSPR在化学、生物和医学诊断等应用中可以实现超灵敏检测[27]。利用金属结构LSPR特性制备的光学传感器可以在可见-近红外波段产生视觉可分辨的信号传感，能够降低检测系统的成本和检测工作的复杂程度[48,53]。图1-2金属纳米颗粒的粒径对LSPR特性的影响。粒径远小于光波长的情况下，（a）LSPR电场分布示意图和（c）消光截面。粒径与光波长相当的情况下，（b）LSPR电场分布示意图和（d）消光截面[27]。图1-1（b）给出了SPPs的电场分布示意图。不同于LSPR中电磁场的局域共振特性，SPPs具有沿着金属表面的传播矢量，能够在金属表面以倏逝波（EvanescentWave）形式传播。通过在包含有金属和电介质材料的两个半无限空间中求解麦克斯韦
华中科技大学博士学位论文5方程组，获得SPPs模式的色散关系[1]mSPPs0dmdkk（1-3）其中d，m分别为介质和金属的介电常数。在可见光到近红外波段，金属的介电常数的实部通常为一个较大的负数。由1-3式可知，kSPPs始终大于介质中平面光波的波矢d1/2k0。SPPs的传播波长为=2/Re(kSPPs)，因此SPPs的传播波长小于同频率下介质中平面光波的波长。激发SPPs需要使激发光具有与kSPPs相同的波矢，因此需要补偿激发光与SPPs之间的波矢失配。图1-3常见的SPPs激发方式。Kretschmann（a）和Otto结构（b）棱镜耦合激发。（c）周期性结构耦合激发。（d）近场散射激发[25]。图1-3介绍了几种常见的激发SPPs的方法，包括棱镜耦合、光栅耦合以及近场激发等。棱镜耦合可以采用Kretschmann和Otto结构，如图1-3（a）和（b）所示。两种棱镜耦合激发的区别在于：Kretschmann耦合棱镜激发的SPPs在金属的下表面传播，只适用于金属薄膜中SPPs的激发。Otto耦合棱镜激发的SPPs在金属的上表面传播，棱镜和金属之间需要用折射率较大的匹配液填充。图1-3（c）所示为周期性光栅耦合入射场激发SPPs示意图。得益于现代微纳加工技术的迅速发展，周期性结构的
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