基于表面等离激元亚波长孔阵列结构强透传感特性研究
发布时间：2020-08-20 14:14
【摘要】：表面等离激元(Surface Plasmon Polaritons,SPP)是光照射到贵金属时,激发其表面自由电子集体振荡相互耦合而形成的一种特殊的电磁波。它在水平方向上沿着金属表面进行传导,在垂直于金属/介质界面上呈指数衰减。SPP具有近场增强、亚波长控制和表面局域等一系列特殊物理特性。由于SPP共振耦合作用,光通过周期性亚波长孔阵列结构时具有强透射(EOT)现象。而基于EOT特性的透射峰对周围环境折射率变化非常敏感,这一特性为人们设计高性能折射率传感器提供一种新方法。本论文首先理论设计了复合圆弧金孔阵列和H型金孔阵列两种亚波长孔阵列结构。然后采用时域有限差分(FDTD)法数值仿真该两种器件的主要结构参数对EOT特性的影响,优化其参数得到最佳EOT特性。最后在此最佳EOT特性条件下重点研究其折射率传感特性,并对高性能SPP传感器的理论机理进行了探讨。主要的研究成果如下:1、提出了一种由左右、上下对称的一大、一小圆弧组成的金属圆弧孔阵列结构。利用该结构形成的法布里-珀罗腔来加强SPP耦合作用,以期获得一个较好的EOT现象。同时研究基于该现象的折射率传感特性。采用FDTD法研究了该孔阵列结构中大、小圆弧孔的半径、两圆弧的圆心距和阵列周期对EOT现象的影响。研究发现该结构中的大、小圆弧半径分别为95,70 nm,两圆弧的圆心距为100 nm,周期为425 nm,其具有较好的EOT现象。对基于该现象的折射率传感特性进行了探讨,其灵敏度为279 nm/RIU。2、提出了一种H型金属孔阵列结构,利用该结构形成的法布里-珀罗腔加强SPP耦合作用,以期获得一个较好的EOT现象。采用FDTD法对该结构进行数值仿真,并详细研究了H型金孔阵列中水平方向矩形孔和竖直方向的两相同对称矩形孔的长和宽等参数对EOT特性的影响;同时研究基于该现象的折射率传感特性。结果表明当水平方向矩形孔长和宽分别为300nm和120nm,竖直方向的两相同对称矩形孔的长和宽分别为60nm和10nm时,获得了较好的EOT现象。并在此基础上获得折射率的灵敏度可为389RIU/nm。3、初步提出硅模板转移法制备亚波长金孔阵列传感器件的实验方案,以期该模板可以使用,从而有效降低成本和缩短纳米加工的时间。
【学位授予单位】：桂林电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG111
【图文】：
这些领域中常用的传感器在小分子检测、实时监测等应用时存在型化、待测物识别快速化等方面遇到很多技术难题。在此大背一种免标记、实时监测、成本低廉、能打破传统方案制约的、且面等离激元(Surface Plasmon Polaritons, SPP)由于其近场增强、量高度局域在亚波长尺寸范围内等一系列特殊的物理特性而受到利用近场光学耦合作为信息传输的媒介，通过入射的电磁光波与表面的自由电子之间相互耦合而形成共振的特殊表面波[1]。SPP 率、环境气体、生物/化学等传感领域中，这是由于 SPP 的透射变化异常敏感，其特殊的物理特性为人们设计一种高灵敏度、高提供了新模式。SPP 独特的物理特性有望突破传统传感器技术在键技术难题，得到了跨越式的飞速发展。等离激元(Surface Plasmon Polaritons, SPP)由于在金属和电介质现出一系列特殊规律的电磁特性，而引起了研究者的重点关注。方向上沿着金属表面进行传导，在垂直于金属/介质界面呈指数的展示 SPP 被严格限制在亚波长纳米尺寸范围内的金属/电介质
图 1.2 LRSPP 共振二维示意图 (a)LSP 共振示意图 (b)改变纳米粒子尺寸、相对位置对“热拉曼散射场增强因素影响示意图究者的不懈努力，随着近场光学理论研究的逐步深入， SPP 的 EOT 特了进一步完善，在众多科研工作者一起共同努力深入挖掘下，SPP 具有性有望解决许多常规光学器件未能克服的固有缺陷，相比较于电子器件快传递信息的速度、更大的传输频带等突出优点，被公认为在下一代全
基于 LRSPP 结构的传感器具有半高宽更窄、灵敏度和分辨率更高等优异性能，大大拓宽了 SPP 在细菌、细胞等小分子检测领域的应用。接下来介绍LSP的物理特性，它的特点是传导距离只有短短几十纳米。其图1.3(a)为 LSP 共振示意图，以金银等贵金属材料为基础通过一定工艺加工而成的纳米阵列，该纳米阵列结构内部大量电荷密度谐振时被严格限制在其外表面之内，自由电子有规律的集体振荡是由于被特定频率的电磁波照射而与其相干耦合而谐振。这种 LSP 谐振时有及其独特的电磁特性：能量被高度局域在纳米阵列的狭缝处；单个纳米微粒构成的亚波长尺寸阵列的电磁频谱响应与单个纳米微粒的电磁频谱响应差别较大。由图1.3(b) 清楚表明，在亚波长尺寸的纳米阵列内，当两个单一的金属纳米微粒结构距离仅有 2 nm 时，会产生较为强烈的局域 SPP 相干谐振波。研究表明，两个单一的金属纳米微粒狭缝之间的场强增大了 108倍，整个纳米微粒结构因耦合共振而产生的场强比单一的纳米微粒的最大电场增大了一千倍左右。其中大部分电场能量被高度聚集在直径只有几纳米大小的狭缝空间内。同时也表明 LSP 有把光能量局域到亚波长尺寸空间内的能力[8]，此特性被广泛应用于拉曼增强等散射和吸收领域。而在实际的传感器应用中
【学位授予单位】：桂林电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG111
【图文】：
这些领域中常用的传感器在小分子检测、实时监测等应用时存在型化、待测物识别快速化等方面遇到很多技术难题。在此大背一种免标记、实时监测、成本低廉、能打破传统方案制约的、且面等离激元(Surface Plasmon Polaritons, SPP)由于其近场增强、量高度局域在亚波长尺寸范围内等一系列特殊的物理特性而受到利用近场光学耦合作为信息传输的媒介，通过入射的电磁光波与表面的自由电子之间相互耦合而形成共振的特殊表面波[1]。SPP 率、环境气体、生物/化学等传感领域中，这是由于 SPP 的透射变化异常敏感，其特殊的物理特性为人们设计一种高灵敏度、高提供了新模式。SPP 独特的物理特性有望突破传统传感器技术在键技术难题，得到了跨越式的飞速发展。等离激元(Surface Plasmon Polaritons, SPP)由于在金属和电介质现出一系列特殊规律的电磁特性，而引起了研究者的重点关注。方向上沿着金属表面进行传导，在垂直于金属/介质界面呈指数的展示 SPP 被严格限制在亚波长纳米尺寸范围内的金属/电介质
图 1.2 LRSPP 共振二维示意图 (a)LSP 共振示意图 (b)改变纳米粒子尺寸、相对位置对“热拉曼散射场增强因素影响示意图究者的不懈努力，随着近场光学理论研究的逐步深入， SPP 的 EOT 特了进一步完善，在众多科研工作者一起共同努力深入挖掘下，SPP 具有性有望解决许多常规光学器件未能克服的固有缺陷，相比较于电子器件快传递信息的速度、更大的传输频带等突出优点，被公认为在下一代全
基于 LRSPP 结构的传感器具有半高宽更窄、灵敏度和分辨率更高等优异性能，大大拓宽了 SPP 在细菌、细胞等小分子检测领域的应用。接下来介绍LSP的物理特性，它的特点是传导距离只有短短几十纳米。其图1.3(a)为 LSP 共振示意图，以金银等贵金属材料为基础通过一定工艺加工而成的纳米阵列，该纳米阵列结构内部大量电荷密度谐振时被严格限制在其外表面之内，自由电子有规律的集体振荡是由于被特定频率的电磁波照射而与其相干耦合而谐振。这种 LSP 谐振时有及其独特的电磁特性：能量被高度局域在纳米阵列的狭缝处；单个纳米微粒构成的亚波长尺寸阵列的电磁频谱响应与单个纳米微粒的电磁频谱响应差别较大。由图1.3(b) 清楚表明，在亚波长尺寸的纳米阵列内，当两个单一的金属纳米微粒结构距离仅有 2 nm 时，会产生较为强烈的局域 SPP 相干谐振波。研究表明，两个单一的金属纳米微粒狭缝之间的场强增大了 108倍，整个纳米微粒结构因耦合共振而产生的场强比单一的纳米微粒的最大电场增大了一千倍左右。其中大部分电场能量被高度聚集在直径只有几纳米大小的狭缝空间内。同时也表明 LSP 有把光能量局域到亚波长尺寸空间内的能力[8]，此特性被广泛应用于拉曼增强等散射和吸收领域。而在实际的传感器应用中
【参考文献】
相关期刊论文 前10条
1 陆林;杨远洪;李红颖;;零双折射温度敏感系数保偏光子晶体光纤研究[J];光学学报;2015年10期
2 周峰;邱孙杰;罗炜;徐飞;陆延青;;一种反射型全光纤氢气传感器的设计[J];光学学报;2013年11期
3 易陈林;刘s
本文编号：2798074
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/jiagonggongyi/2798074.html
