纳米天线的近场增强及远场特性研究

发布时间：2020-10-22 04:27

　　 纳米天线的定向散射特性是微纳光学领域最活跃的研究热点之一,在表面增强拉曼散射、化学生物传感器、太阳能电池和光学显微镜等领域具有极大的应用潜力。由于纳米天线散射的电磁场在远场会产生复杂的相干效应,因而导致远场辐射特性发生显著变化,定向散射的机理和场增强效应不十分清楚。本文从局域表面等离子体共振(Localized surface plasmon resonance,LSPR)基本原理出发,采用数值计算方法对金属-介电纳米核壳二聚体、全介电纳米天线和金属-介电贴片型纳米天线的近场和远场特性进行系统研究,考察纳米天线对光波的近场增强以及远场特性,包括对光波的散射效率、散射的方向性、极化特性等方面,阐明纳米天线多模的相互作用与远场方向性散射之间的联系,为新型纳米天线的设计和应用提供理论指导。提出一种Au-ITO-Ag对称性破缺三层纳米核壳结构。研究结果表明,入射光偏振方向、波长和尺寸等参数对LSPR共振模式及远场分布规律有显著影响。偶极对称模式随金内核半径的增大而红移,共振波长在可见光到近红外波长范围内变化。电场轮廓增强分析表明,Ag外壳纳米杯缺口处电场增强最显著,对称性破缺三层纳米核壳不仅可以对光场的消光效率进行调控,还可对远场散射的方向性产生影响。设计高介电硅十字架二聚体纳米天线、空心纳米盘光学天线和金属-介电核壳纳米盘天线,探索磁“热点”形成机制。远场分布图结果表明,硅十字架纳米天线和空心纳米盘光学天线能够支持电偶极矩、磁偶极矩、电四极矩和磁四极矩等多个共振模式,实现远场单向性散射。电、磁偶极源的激励对空心纳米盘天线的共振模式响应特性有调制作用,可增大珀塞尔系数,增强磁偶极源的辐射衰减率。金属-介电核壳纳米盘天线可极大减小金属损耗,并能够保持LSPR特性。在804nm、924nm和952nm特定波长下,多极矩辐射能量耦合作用近似满足Kerker条件,实现多波长远场单向性散射。研究还表明,硅-金核壳纳米盘天线不仅远场激发可产生单向性散射,近场激发同样可产生单向性辐射。将增益介质和吸收介质引入纳米天线,构建一个宇称-时间(Parity-time,PT)对称纳米天线体系,深入研究PT对称金属-介电正方体核壳纳米天线的近场和远场散射特性。结果表明,通过调节PT对称纳米天线体系的虚部可有效改变纳米天线的远场散射特性;当k=0.38和k=0.76时,分别实现前向散射和背向散射,表现为双波长远场方向性辐射特性。研究电偶极源激发下PT对称多层圆形和方形金属-介电贴片型纳米天线的腔模特性。基于腔模与偶极辐射源重叠程度和对称性原理,通过改变偶极源位置,能够选择性地激发纳米天线的腔模。研究表明,通过PT对称多层方形金属-介电贴片型天线的电共振和磁共振腔模耦合作用,能够满足Kerker条件,实现远场单向散射;调节PT对称纳米天线体系的虚部,实现远场能量由背向辐射到前向辐射的转换。本文的研究方法和结果为设计和调控纳米天线的光学性质提供理论指导,对拓宽LSPR的应用领域和提高生物化学传感器性能具有一定的参考价值。
【学位单位】：东北石油大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN820
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
创新点摘要
第一章 绪论
    1.1 课题研究的背景及意义
    1.2 表面等离激元和局域表面等离激元
        1.2.1 表面等离激元纳米天线
        1.2.2 局域表面等离子体纳米天线
    1.3 纳米天线的类别及化学制备方法
        1.3.1 纳米天线的类别
        1.3.2 纳米天线的化学制备方法
    1.4 纳米天线的应用
    1.5 本文的主要研究内容
第二章 纳米天线的基本理论与研究方法
    2.1 引言
    2.2 表面等离子体相关原理
    2.3 纳米天线的主要性能参数
        2.3.1 散射单向性
        2.3.2 衰减辐射率
        2.3.3 偏振特性
    2.4 光学共振模式的多极子展开
        2.4.1 理想多极子
        2.4.2 多极子展开方法
    2.5 电磁场研究中的数值方法
        2.5.1 有限元理论基础
        2.5.2 有限元建模
    2.6 本章小结
第三章 对称性破缺纳米核壳二聚体的近场和方向性散射特性
    3.1 引言
    3.2 对称性破缺三层纳米核壳的消光特性
        3.2.1 共振模式不同时纳米核壳二聚体的消光性
        3.2.2 结构参数对纳米核壳二聚体消光性能的影响
    3.3 对称性破缺三层纳米核壳的电场增强和电荷分布特性
    3.4 对称性破缺三层纳米核壳的远场分布特性
    3.5 本章小结
第四章 全介电和介电-金属纳米天线的多波长单向散射特性
    4.1 引言
    4.2 硅十字架二聚体的单向性纳米天线
        4.2.1 硅十字架二聚体的散射特性
        4.2.2 硅十字架二聚体的近场特性
        4.2.3 硅十字架二聚体的远场特性
    4.3 硅空心纳米盘天线的单向性纳米天线
        4.3.1 硅空心纳米盘的散射特性
        4.3.2 硅空心纳米盘的近场特性
        4.3.3 硅空心纳米盘的远场特性
    4.4 金属-高介电核壳结构纳米盘的零背向散射特性纳米天线
        4.4.1 结构参数对纳米盘散射特性的影响
        4.4.2 核壳结构纳米盘的零背向散射特性
        4.4.3 尺寸不同时核壳结构纳米盘的散射特性
        4.4.4 核壳结构纳米盘的远场分布特性
    4.5 本章小结
第五章 PT对称的金属-介电复合纳米天线的单向散射调控特性
    5.1 引言
    5.2 PT对称的金属-介电正方体核壳二聚体的消光特性
        5.2.1 增益和损耗系数k对散射、吸收及消光截面的影响
        5.2.2 正方体核壳二聚体的近场特性
        5.2.3 正方体核壳二聚体的远场特性
    5.3 PT对称的金属-介电贴片型纳米天线的光学特性
        5.3.1 圆盘纳米天线的腔模特性
        5.3.2 方形纳米天线的腔模特性
        5.3.3 方形纳米天线的单向性散射调控
    5.4 本章小结
结论
参考文献
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致谢

【参考文献】

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本文编号：2851091