低维金属结构表面等离激元光子学特性及其传感应用

发布时间：2018-04-02 05:09

本文选题：金属纳米线　切入点：传导型表面等离激元　出处：《浙江大学》2016年博士论文

【摘要】：得益于表面等离激元独特的性质,低维金属纳米材料可以在深亚波长尺度上实现对光的约束与操纵,从而吸引了来自物理、化学以及生物等科研领域的广泛关注。其中,金属纳米线和纳米颗粒作为典型的一维与零维金属纳米结构,因其独特的光子学特性,在超紧凑全光回路、激光技术、生物化学传感、非线性光学以及量子光学等领域具有广泛的应用前景。金属纳米线具有体表面积大、倏逝场强、机械强度高、光场束缚能力强与传输损耗相对较低等特点,是组成传导型表面等离激元器件的基本单元。然而目前对于金属纳米线光子学特性的理论研究仍然不够全面。例如：受衬底支撑的金属纳米线的导波特性没有得到系统的研究,金属纳米线在液体环境中的传感特性也有待更加深入的讨论。金属纳米颗粒能在三个维度上都实现对光场的深亚波长约束,并伴有显著的局域场增强,是典型的基于局域型表面等离激元的零维结构。然而由于辐射与非辐射损耗,其表面等离激元共振的线宽通常较宽,寿命通常较短,能实现的局域光场能量增强也受到了限制,影响了其在生化传感等诸多领域的应用。如何获得更窄的表面等离激元共振线宽,是目前表面等离激元研究领域的一个重要问题。在上述背景下,本论文基于金属纳米线和纳米颗粒这两种典型的低维金属纳米结构,对其光子学特性及其传感应用进行了研究,主要工作分为以下几个部分：第一章主要介绍了传导型与局域型表面等离激元的原理,金属纳米线和纳米颗粒的研究背景以及典型的应用。在第二章中,基于数值模拟的方法,对低维金属结构表面等离激元光子学特性以及传感应用进行了理论研究：(1)通过数值计算,分析了金属纳米颗粒的模场分布与远场光谱特性,并对表面等离激元共振的线宽、寿命、Q因子以及传感灵敏度与FOM等进行了讨论。研究的结果为后续金纳米棒的实验部分提供了理论基础；(2)系统地研究并得到了置于介质衬底上的金属纳米线的光子学特性,包括传播常数、能量分布、有效模场面积、传播长度以及传输损耗。与悬空的金属纳米线相比,受衬底支撑的金属纳米线可以同时提供更强的光场约束与相对较大的传播长度。此外,我们还分析了金属纳米线-衬底系统中几何尺寸、衬底折射率等因素与其光子学特性之间的关系。研究的结果对基于金属纳米线等一维表面等离激元波导结构的应用具有重要的参考价值,为基于介质衬底加载型表面等离激元波导的光子学器件的应用提供了理论基础；(3)提出并在理论上演示了一种液体环境中,基于金纳米线的超小尺寸、高灵敏马赫曾德相位型折射率传感,并探讨了不同的液体环境与不同的纳米线直径对灵敏度、分辨率等传感性能的影响。结果表明,对于直径为100 nm的金纳米线,其灵敏度可高达5.5π/(μm·RIU),并可以通过减小纳米线直径的方法进一步提高灵敏度。该研究结果为发展液体环境中,基于一维传导型表面等离激元的小尺寸、超紧凑、高灵敏传感提供了新的思路。在第三章中,介绍了典型的低维金属纳米结构及实验相关材料的制备方法,并介绍了用于研究单个金属纳米颗粒散射特性的暗场显微装置。在第四章中,通过金纳米棒与微纳光纤回音壁腔的强耦合系统,得到了单模、几乎无光谱背景且具有极窄线宽的表面等离激元共振。研究结果表明,当微纳光纤直径小于约6μm时,金纳米棒与回音壁腔开始发生强耦合相互作用,导致其远场散射光谱上明显的模式劈裂与线宽压缩。当微纳光纤的直径为1.46μm时,在金纳米棒的散射光谱上,获得了单模、线宽仅为2 nm的表面等离激元共振峰,其Q值高达330,且具有约30 dB的消光比。在表面等离激元谐振峰处,相较于单个没有耦合的金纳米棒,与腔强耦合的金纳米棒能够提供约为30倍的散射增强。此外,还通过钯包覆的金纳米棒与微纳光纤的强耦合,将单个钯包覆的金纳米棒的线宽压缩至2.5 nm,实现了较高品质(Q-256)的表面等离激元共振。本章中提出的金纳米棒-微纳光纤回音壁腔强耦合系统,在基于局域表面等离激元的超高灵敏度传感器、超低阈值激光器等方面具有巨大的应用潜力。第五章是对本论文主要研究工作和创新点的总结以及对未来工作的展望。
[Abstract]:Metal nanowires and nano - particles are widely used in the fields of physics , chemistry , biology and other fields .
( 2 ) The photonic properties of metal nanowires placed on a dielectric substrate are systematically studied , including the propagation constant , the energy distribution , the effective mode field area , the propagation length and the transmission loss . Compared with the suspended metal nanowires , the metal nanowires supported by the substrate can provide stronger optical field confinement and relatively large propagation length .
In chapter 3 , a strong coupling system of gold nanorods and micro - nano - fiber is presented . The results show that , when the diameter of the micro - nano - fiber is less than about 6 渭m , the sensitivity can be up to 5.5 蟺 / ( 渭m 路 RIU ) .

【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG111

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