金属等离子体纳米结构对光的调控研究

发布时间：2020-01-16 20:59

【摘要】：金属纳米结构因其在光波段的等离子体共振效应而使其光响应特性完全不同于金属体材料,并使其在众多科学和工程领域中有着重要应用。本论文围绕金属纳米结构在人工电磁超材料和纳米光子学这两个领域中的应用开展研究。在将金属纳米结构应用于超材料的研究中,我们将金属纳米结构作为单元结构构造光波段超材料,调控人工材料的光响应参数；在将金属纳米结构应用于纳米光子学领域的研究中,我们将金属纳米结构作为纳米光学天线,调控纳米发光体的发光特性。我们首先提出了一种基于耦合金属纳米环的新型双负负折射率超材料结构设计。这种新型设计可以在可见光波段甚至近紫外波段工作,而且品质因子远远高于当时的可见光负折射率超材料。该设计填补了低损耗双负负折射率材料在绿光、蓝光、紫光和近紫外波段的空白,可在包括超分辨成像在内的超材料应用领域中发挥作用。我们还设计了一种新型的介质-金属复合谐振环(Hybrid Ring Resonator, HRR)磁响应纳米谐振腔。HRR可以在短至近紫外的短波波段构造可均匀化的磁响应超材料。研究中我们提出了环形纳米谐振腔模型,并将全介质磁响应谐振腔、传统开口谐振环(Split-Ring Resonator, SRR)磁响应谐振腔和我们设计的介质-金属复合谐振环(HRR)磁响应谐振腔这三类谐振腔归纳到环形纳米谐振腔模型框架内,对应环形纳米谐振腔模型中的三种共振类型。我们提出的新型谐振腔设计以及环形纳米谐振腔模型的构建和分析对于磁响应纳米谐振结构的设计具有启发意义。研究中,我们首次在单金属条上发现了反对称等离子共振模式。我们发现,只要形成介质-金属-介质(Insulator-Metal-Insulator, IMI)纳米三明治结构,单金属条就能支持反对称的等离子共振模式。利用数值模拟和波导谐振腔模型分析,我们揭示了IMI纳米三明治结构中高折射率介质层在反对称等离子共振模式形成中起到的关键作用。我们将IMI纳米三明治结构应用于构造超材料,实现蓝光至近紫外波段的磁响应。IMI纳米三明治结构中反对称模式的发现以及波导谐振腔模型建模分析对于等离子体振荡模式的理论研究具有启发意义；而IMI纳米三明治结构所特有的短波磁响应特性使其在磁响应超材料构造以及磁偶极跃迁调控方面具有潜在应用价值。在纳米光源发光调控研究中,我们开发了基于单量子点荧光探针的纳米天线场增强谱定量测量方法。该实验工作的关键是开发高稳定性的量子点荧光探针以及高精度构建量子点与纳米光学天线的耦合体系。我们在高量子效率的量子点外包覆了二氧化硅膜层,从而实现了高稳定性的单量子点荧光探针；利用本论文开发的基于轻敲模式的原子力显微镜纳米操纵技术,我们实现了单量子点与纳米光学天线高精度耦合。该测量方法不仅能为纳米光学天线的基础和应用研究提供表征支持；我们还可以利用该方法及该方法中使用的制备技术,开发基于单量子点-纳米天线耦合体系的新型量子光源。
【图文】：

备受瞩目的负巧射率超材料实现后，，人们开始将其王作波段从较易实现的微波段一路逡逑往短波方向发展，最终实现了光波段负折射率超材料。人们首先通过缩小铜双开口谐振环逡逑的整体尺寸，实现了太赫兹波段的负滋导率超材料（见图１．２邋（ｂ））邋［６］。由于双开口谐振逡逑环等效电容过大，且缩小尺寸后制备困难，人们改变了谐振环的结构，利用金单开口谐振逡逑环，实现了百太赫兹（红外波段）的负撼导率超材料（见图１．２邋（Ｃ））邋［７］。为了进一步缩逡逑短工作波长，单开口谐振环演变为Ｕ型开口谐振环。利用金Ｕ型开口谐振环，人们实现逡逑了邋１．５Ｍｍ近红外通讯波段负磁导率超材料（见图１．２邋（ｄ））邋［８］。将开口谐振环尺寸继续逡逑缩小，人们发现进入了尺寸缩小波长减小的饱和效应区［９］，当利用金开口谐振环实现９００逡逑ｒｎｎ近红外磁响应超材料（见图１．２邋（ｅ））时，饱和效应已经显现，磁响应已不能让磁导逡逑率达到负值［１０］。逡逑开口谐振环结构不仅遇到了磁响应饱和效应，而且将开口谐振环与金属线结合来实现逡逑介电常数与磁导率均为负的双负负折射率崣姑料在短波段微纳米结构上也较难实现。２００５逡逑年，Ｓ个研究组几乎同时提出了金属介质王明治结构来实现磕响应（图１．３）邋［１１－１３］。这逡逑种结构中

图１．２开口谐振环结构在微波段实现负折射率超材料后，将开口谐振环结构工作波长往光波逡逑段发展的结构演化
【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】：TB383.1;TG111

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本文编号：2570461