基于等离激元共振的多频完美吸收超材料的构建及光学传感研究
发布时间：2020-12-15 16:14
在纳米光子学中,光子与物质之间的相互作用可激发出沿着金属表面传播的倏逝波,即表面等离激元（Surface plasmon polaritons,SPPs）。表面等离激元有助于实现拉曼散射增强、光催化、光学透射增强等效应。超材料是在探索纳米光学器件时发现的一类新型材料,基于金属表面等离激元共振的超材料因其独特的物理特性例如完美吸收、负折射率效应引起了人们的广泛关注,在结构简单、高集成度、低成本、超紧凑的传感、太阳能电池等领域已成为近年来研究的热点。但在高品质光学传感领域仍然存在一些难题,如入射角窄、偏振敏感、频带单一、传感灵敏度较低等。本文基于金属表面等离激元共振构建了两种多频完美吸收超材料结构,利用时域有限差分法构建模型并进行数值模拟、优化以及相关机理的探索,进而实现高品质的多频带光学传感。主要有以下几个方面:1.介绍了研究背景、超材料及基于等离激元超材料在完美吸收器方面的研究现状。2.介绍了多频超材料吸收器的理论基础:表面等离激元的发展、基本性质、色散关系、激发方式、超材料吸收器传感特性指标以及选用的数值计算方法的原理及优点。3.设计和研究了双频表面等离激元超材料吸收器,在可见-近红...
【文章来源】：江西师范大学江西省
【文章页数】：60 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Landy等人[29]设计的超材料吸收器(a)结构示意图；(b)吸收光谱图
基于等离激元共振的多频完美吸收超材料结构的构建及光学特性研究3图1-5Landy等人[29]设计的超材料吸收器(a)结构示意图；(b)吸收光谱图2011年，Liu等人[30]提出了一个Au-MgF2-Au组成的超材料窄带吸收器，实验中在波长为1.6μm处产生约99%的吸收率，结构如图1-6(a)所示。结构参数为：Au圆盘的半径和厚度分别为352nm和20nm，MgF2介质层的厚度为30nm，Au基底层厚度为200nm，结构周期为600nm。此外，该吸收器在TE波和TM波下都具有宽入射角范围的高吸收性，如图1-6(b)显示了TE波和TM波的吸收峰在不同入射角上的角色散图。在TM偏振中，吸收峰几乎与入射角无关，在80°时吸收峰也高达96%，这是因为入射光的磁场方向在不同入射角下保持不变，可以有效地驱动各个入射角的环流电流；相反，对于TE偏振，磁场在大角度下不能有效地驱动循环电流，但在80°时，吸收率仍然保持在50%。该吸收器结合了完美吸收器和表面等离激元传感器的概念，并首次通过实验证明了在近红外波段下该窄带完美吸收器可作为表面等离激元传感器，为表面等离激元传感开辟了一个新的方向，将促进一类新的纳米级生物/化学传感器的诞生。图1-6Liu等人[30]设计的超材料吸收器(a)结构示意图；(b)不同偏振下入射角的吸收光谱图除单频吸收器外，双频以及多频吸收器也备受大众的关注。2018年，Liu等人[31]提出并演示了一种新型的功能性金属-半导体复合超材料，该金属板可支持嵌入高折射率的半导体，获得完美的光吸收以及增强的局部电磁常其中，结构参数如下：周期为500nm、Si环内径和外径分别为160nm和220nm、Si环和
硕士学位论文4Ag膜厚度分别为80nm和200nm，结构如图1-7所示。在Ag-Si共振结构中，最大光谱吸收高于99.0%，实现了可见光-近红外范围内的双频段光吸收。另外，当采用成对的Si环阵列时，可以获得三频段光吸收。此外，还观察到吸收器材料可由其他金属和半导体实现，即可以通过引入其他光学共振介电纳米结构来获得多频段光吸收。这些光学特性和结构特征不仅可以为多频段光吸收提供替代方法，而且还为功能性光电技术(例如红外光电探测器，热电子激发和非线性光学)提供了新的思路。图1-7Liu等人[31]设计的金属-半导体复合超材料吸收器(a)结构示意图；(b)吸收光谱图同年，Zhao等人[32]提出了一种近红外多频窄带超材料完美吸收器的设计，利用非对称结构以及堆叠法来增加吸收带的数量，结构如图1-8所示。基于金属-电介质-金属(MDM)结构获得了单频带吸收，其吸收率超过94%；基于对称电介电-电介电-金属（SDDM）结构获得了双频段吸收，吸收率分别超过99%和96%；通过减小两个金属条的长度得到非对称结构，并基于非对称电介质-电介质-金属（ASDDM）结构实现了四频段吸收，与对称结构相比额外获得了两个吸收带，吸收率分别为98%和94%。经过初步比较与分析，利用非对称结构可以设计出多频带吸收器。随后，Zhao等人尝试将介质共振器堆叠在金属共振器上以获得更多的吸收带。如图1-8(a)所示，将双频带SDDM结构堆叠在单频带MDM结构上获得了SDDMDM结构，在近红外波段成功实现了三频段吸收；如图1-8(c)所示，将四波段ASDDM结构堆叠在单波段MDM结构上，在近红外波段中获得了五频段吸收。初步分析表明，采用堆叠法可以用于设计多频带吸收器。这两种方法为我们后续设计多频带超材料完美吸收器提供了更多的方向。
【参考文献】：
期刊论文
[1]A theoretical study of a plasmonic sensor comprising a gold nano-disk array on gold film with a SiO2 spacer[J]. 王向贤,朱剑凯,童欢,杨旭东,吴枭雄,庞志远,杨华,祁云平. Chinese Physics B. 2019(04)
[2]基于塔姆激元-表面等离极化激元混合模式的单缝加凹槽纳米结构的增强透射[J]. 祁云平,周培阳,张雪伟,严春满,王向贤. 物理学报. 2018(10)
博士论文
[1]周期性金属纳米结构表面等离子激元器件的研究[D]. 梁瑜章.大连理工大学 2016
[2]时域有限差分法关键问题研究及其应用[D]. 袁伟良.西安电子科技大学 1998
硕士论文
[1]电磁场计算中的时域有限差分法的研究[D]. 王涛.吉林大学 2005
本文编号：2918545
【文章来源】：江西师范大学江西省
【文章页数】：60 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Landy等人[29]设计的超材料吸收器(a)结构示意图；(b)吸收光谱图
基于等离激元共振的多频完美吸收超材料结构的构建及光学特性研究3图1-5Landy等人[29]设计的超材料吸收器(a)结构示意图；(b)吸收光谱图2011年，Liu等人[30]提出了一个Au-MgF2-Au组成的超材料窄带吸收器，实验中在波长为1.6μm处产生约99%的吸收率，结构如图1-6(a)所示。结构参数为：Au圆盘的半径和厚度分别为352nm和20nm，MgF2介质层的厚度为30nm，Au基底层厚度为200nm，结构周期为600nm。此外，该吸收器在TE波和TM波下都具有宽入射角范围的高吸收性，如图1-6(b)显示了TE波和TM波的吸收峰在不同入射角上的角色散图。在TM偏振中，吸收峰几乎与入射角无关，在80°时吸收峰也高达96%，这是因为入射光的磁场方向在不同入射角下保持不变，可以有效地驱动各个入射角的环流电流；相反，对于TE偏振，磁场在大角度下不能有效地驱动循环电流，但在80°时，吸收率仍然保持在50%。该吸收器结合了完美吸收器和表面等离激元传感器的概念，并首次通过实验证明了在近红外波段下该窄带完美吸收器可作为表面等离激元传感器，为表面等离激元传感开辟了一个新的方向，将促进一类新的纳米级生物/化学传感器的诞生。图1-6Liu等人[30]设计的超材料吸收器(a)结构示意图；(b)不同偏振下入射角的吸收光谱图除单频吸收器外，双频以及多频吸收器也备受大众的关注。2018年，Liu等人[31]提出并演示了一种新型的功能性金属-半导体复合超材料，该金属板可支持嵌入高折射率的半导体，获得完美的光吸收以及增强的局部电磁常其中，结构参数如下：周期为500nm、Si环内径和外径分别为160nm和220nm、Si环和
硕士学位论文4Ag膜厚度分别为80nm和200nm，结构如图1-7所示。在Ag-Si共振结构中，最大光谱吸收高于99.0%，实现了可见光-近红外范围内的双频段光吸收。另外，当采用成对的Si环阵列时，可以获得三频段光吸收。此外，还观察到吸收器材料可由其他金属和半导体实现，即可以通过引入其他光学共振介电纳米结构来获得多频段光吸收。这些光学特性和结构特征不仅可以为多频段光吸收提供替代方法，而且还为功能性光电技术(例如红外光电探测器，热电子激发和非线性光学)提供了新的思路。图1-7Liu等人[31]设计的金属-半导体复合超材料吸收器(a)结构示意图；(b)吸收光谱图同年，Zhao等人[32]提出了一种近红外多频窄带超材料完美吸收器的设计，利用非对称结构以及堆叠法来增加吸收带的数量，结构如图1-8所示。基于金属-电介质-金属(MDM)结构获得了单频带吸收，其吸收率超过94%；基于对称电介电-电介电-金属（SDDM）结构获得了双频段吸收，吸收率分别超过99%和96%；通过减小两个金属条的长度得到非对称结构，并基于非对称电介质-电介质-金属（ASDDM）结构实现了四频段吸收，与对称结构相比额外获得了两个吸收带，吸收率分别为98%和94%。经过初步比较与分析，利用非对称结构可以设计出多频带吸收器。随后，Zhao等人尝试将介质共振器堆叠在金属共振器上以获得更多的吸收带。如图1-8(a)所示，将双频带SDDM结构堆叠在单频带MDM结构上获得了SDDMDM结构，在近红外波段成功实现了三频段吸收；如图1-8(c)所示，将四波段ASDDM结构堆叠在单波段MDM结构上，在近红外波段中获得了五频段吸收。初步分析表明，采用堆叠法可以用于设计多频带吸收器。这两种方法为我们后续设计多频带超材料完美吸收器提供了更多的方向。
【参考文献】：
期刊论文
[1]A theoretical study of a plasmonic sensor comprising a gold nano-disk array on gold film with a SiO2 spacer[J]. 王向贤,朱剑凯,童欢,杨旭东,吴枭雄,庞志远,杨华,祁云平. Chinese Physics B. 2019(04)
[2]基于塔姆激元-表面等离极化激元混合模式的单缝加凹槽纳米结构的增强透射[J]. 祁云平,周培阳,张雪伟,严春满,王向贤. 物理学报. 2018(10)
博士论文
[1]周期性金属纳米结构表面等离子激元器件的研究[D]. 梁瑜章.大连理工大学 2016
[2]时域有限差分法关键问题研究及其应用[D]. 袁伟良.西安电子科技大学 1998
硕士论文
[1]电磁场计算中的时域有限差分法的研究[D]. 王涛.吉林大学 2005
本文编号：2918545
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/cailiaohuaxuelunwen/2918545.html
