电介质球复合纳米天线对荧光定向发射的增强

发布时间：2021-08-17 01:52

　　在纳米光子学中,提高荧光物质的定向发光强度是许多应用要解决的关键问题。为了优化电介质纳米天线的荧光增强能力,本文提出了一种由硅纳米球二聚体与TiO₂微球组成的电介质球复合纳米天线。通过时域有限差分法,本文分别从量子产率增强、荧光收集效率增强以及荧光激发率增强3个方面研究了该复合纳米天线对荧光的增强效果。结果表明,这种复合纳米天线不仅可以解决单个TiO₂微球增强荧光时量子产率较低的问题,还可以弥补单个硅纳米球二聚体增强荧光时荧光收集效率较差的不足。该复合纳米天线可使CdSe量子点的量子产率增强约4倍、荧光收集效率增强约2倍。此外,由于硅纳米球二聚体与TiO₂微球对荧光激发过程具有增强效果,该复合天线最终可以产生较高的荧光定向增强倍数。在量子点发光的中心波长523 nm处,荧光定向增强约为3 064倍。 

【文章来源】：中国光学. 2020,13(01)北大核心EICSCD

【文章页数】：10 页

【部分图文】：

3种纳米天线的二维截面图

量子点在有无纳米天线时的辐射功率示意图

首先,研究了硅纳米球二聚体天线、TiO2微球天线以及电介质球复合纳米天线对量子点荧光量子产率的增强。根据公式(1)、(2)和(3),得到了3种天线对应的量子产率增强曲线。图3(彩图见期刊电子版)展示了3种纳米天线对应的量子产率增强曲线。从图中可以看出,单个的TiO2微球不能使量子点的量子产率得到很好的增强,而硅纳米球二聚体可以使量子产率获得较大的增强。原因是硅纳米球二聚体可以在荧光的激发下产生米氏共振,这种耦合共振可以较大地提高量子产率。而TiO2微球在荧光照射下仅发生普通的米氏散射,仅有某些波长的荧光可以在TiO2微球中激发出回音壁模式(图中圆形红线最右端η大于1的部分),故只能实现量子产率的微弱增加[24]。硅纳米球二聚体与单个TiO2微球组成的三聚体复合纳米天线可以有效增强量子产率,其增强倍数约为4倍,略低于硅纳米球二聚体的增强倍数,原因是复合体中TiO2微球对荧光存在淬灭作用(η小于1)。图3中的插图展示的是523 nm波长对应的发光电场分布。图中的虚线是TiO2微球的轮廓。由图中的发光电场分布强弱对比得出的结论与量子产率增强曲线相一致。


本文编号：3346818