金属蝶形纳米天线阵列结构的局域表面等离激元共振特性及其应用研究
发布时间：2021-06-27 07:54
金属纳米结构,由于其特有的局域表面等离激元共振（Localized Surface Plasmon Resonance,LSPR）特性,成为近些年来一个重要的研究方向。在特定波长的光照射下,由于LSPR的耦合作用,金属纳米结构的表面或附近会形成一个局域增强的电磁场,同时自由空间中的光被限制在亚波长范围内,从而打破传统的衍射极限限制。尤其是金属的蝶形纳米天线（Bowtie Nanoantenna,BNA）结构,其独特的三角形结构可以在尖端与尖端之间产生有效的共振等离子体耦合,通过改变BNA结构的材质、几何参数以及介电环境,可以对其LSPR特性进行有效地调控,进而在纳米间隙区域内产生巨大的增强电场,其强大的电场增强能力使得BNA结构在光学传感、纳米光源和光电器件等领域中具有潜在的应用价值。除了极强的电场增强特性外,与其他纳米结构设计相比BNA结构还表现出优异的性能,例如优异的方向性、可调谐的宽带光谱响应、高效的电光驱动和偏振控制等,从而进一步扩展等离子体BNA结构在纳米光子学领域的应用。在本文中,通过数值仿真模拟,理论研究了金属BNA阵列结构的LSPR特性,及其在表面增强拉曼散射（Surf...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)吉林省
【文章页数】：135 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
自由电子气介电函数（实线）与Au的介质数据的实际测量值（点）
金属蝶形纳米天线阵列结构的局域表面等离激元共振特性及其应用研究6的曲面存在束缚力并作用于表面电子，从而引起表面电子的共振，这使得电场在颗粒内、外层近场区域内被显著放大，故称之为局域或者短程局域等离激元共振。图1.2（a）为金属纳米颗粒的LSPR的示意图，它形象的描述了LSPR的机理[17]。对于有限尺寸的金属纳米颗粒，在入射电磁波的作用下，其自由电子气将产生集体的震荡运动并提供一定作用力矩，因而在正离子的牵引下会形成一种局域的等离子体共振状态。与传播的SPP不同，LSPR是局域的共振性质，它可以由入射电磁波在纳米颗粒或纳米结构上的散射直接激发,不需要波矢匹配条件。对于金属颗粒尺寸处于亚波长范围，即比周围介质中的光波长小的多时（d，d：颗粒尺寸，λ：光波长），对于金属颗粒个体或结果而言，简谐振荡电磁场的相位变化可以忽略不计，所以电磁场与金属颗粒之间的相互作用符合准静态近似方法。图1.2金属纳米颗粒的LSPR：（a）金属纳米颗粒的LSPR的示意图，（b）静电场中各向同性的球体的示意图。Figure1.2LSPRofmetalnanoparticles.(a)SketchofLSPRinmetalnanoparticles.(b)Sketchofahomogeneoussphereplacedintoanelectrostaticfield.（图注：引用自[17]）下面我们将利用准静电近似法来研究单个球体的LSPR特性[18]。对于半径为a的各向同性均匀的球体，当其位于标准静电场0EEz中时，球体周围的介质具有各向同性，并具有非吸收特性，其介电常数为m，在远离球体的位置处电场线的方向平行于z方向。球体的介电函数为()，如图1.2（b）所示。在电磁学方法中，求解拉普拉斯方程，电势20，电场强度E，求解得[19]：(1)0(,)(cos)llllllrArBrP…（1.17）其中θ为P位置矢量r和z轴的夹角（图1.2（b））?
第1章绪论9Kneipp和Nie等人在粗糙的Ag表面上使单分子的拉曼散射截面上的增强因子高达1014，其中基于“热点”效应导致的高度局域的电磁场贡献了高达1012的因素，这一有记录的表面增强拉曼散射的研究也开启了基于贵金属粗糙薄膜、纳米粒子和纳米微腔等SERS研究的热潮[23,24]。设计和制备表面结构可控且具有SERS性能最优的基底是研究金属结构中LSPR对表面分子的SERS贡献的重要方向。2005年，Baumberg等人设计和制备了具有有纳米孔栅格结构的金属膜平面[25]，如图1.3所示，其纳米栅格结构既可以提供局域等离子体共振，又可以调节晶格常数以满足相位匹配条件，实现了单分子拉曼散射的极大增强。图1.3利用纳米孔隙金属膜为基底的SERS：（a）纳米孔隙金属膜的SEM图，（b）SERS原理示意图，（c）不同基底的SERS光谱图。Figure1.3SERSusingnanoporousmetalfilmsassubstrates.(a)SEMimagesofnanoporousmetalfilms.(b)SchematicofSERS.(c)SERSspectrumofdifferentsubstrate.（图注：引用自[25]）随着科学家数年来不断的探索、创造和优化，SERS研究中得到了许多构型新颖并具有更多稳定“热点”增强效应的纳米结构，例如纳米立方体，纳米花以及纳米星等精细结构等。2013年HongxingXu课题组报道了在不同的金属纳米结构中的“热点”效应对等离子体增强SERS的作用，包括耦合金属纳米粒子、纳米结构阵列、具有纹理表面的纳米/微结构等SERS基底[26]。如图1.4（a）所示，该课题组报道了金属纳米粒子（MetalNanoparticlesOveraMetalMirror,NOPM）
【参考文献】：
博士论文
[1]基于表面等离激元的选择性拉曼增强特性研究[D]. 祁正青.东南大学 2019
[2]人工微结构超材料的光场传输与耦合调控及其应用[D]. 杨辉.中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所) 2018
[3]金属微纳结构对ZnTe纳米线光电特性的调控研究[D]. 聂奎营.南京大学 2018
[4]微纳结构表面等离激元激发的理论研究及其器件设计[D]. 商雄军.湖南大学 2018
[5]金属—介质—金属复合超表面的制备、模式特性及其荧光辐射调控研究[D]. 任远.中国科学技术大学 2018
[6]几种典型纳米结构的表面增强拉曼与荧光过程的理论研究[D]. 魏勇.燕山大学 2018
[7]基于金属银纳米结构改善有机太阳能电池光吸收性能的研究[D]. 王文艳.太原理工大学 2017
[8]表面等离激元增强InGaN探测器性能研究[D]. 刘小桐.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 2017
[9]周期性纳米金属粒子表面等离子体共振的调控及应用[D]. 刘星.中国科学院研究生院(上海应用物理研究所) 2017
[10]基于表面等离激元的低损耗半导体纳米激光器研究[D]. 于海超.哈尔滨工业大学 2017
本文编号：3252450
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)吉林省
【文章页数】：135 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
自由电子气介电函数（实线）与Au的介质数据的实际测量值（点）
金属蝶形纳米天线阵列结构的局域表面等离激元共振特性及其应用研究6的曲面存在束缚力并作用于表面电子，从而引起表面电子的共振，这使得电场在颗粒内、外层近场区域内被显著放大，故称之为局域或者短程局域等离激元共振。图1.2（a）为金属纳米颗粒的LSPR的示意图，它形象的描述了LSPR的机理[17]。对于有限尺寸的金属纳米颗粒，在入射电磁波的作用下，其自由电子气将产生集体的震荡运动并提供一定作用力矩，因而在正离子的牵引下会形成一种局域的等离子体共振状态。与传播的SPP不同，LSPR是局域的共振性质，它可以由入射电磁波在纳米颗粒或纳米结构上的散射直接激发,不需要波矢匹配条件。对于金属颗粒尺寸处于亚波长范围，即比周围介质中的光波长小的多时（d，d：颗粒尺寸，λ：光波长），对于金属颗粒个体或结果而言，简谐振荡电磁场的相位变化可以忽略不计，所以电磁场与金属颗粒之间的相互作用符合准静态近似方法。图1.2金属纳米颗粒的LSPR：（a）金属纳米颗粒的LSPR的示意图，（b）静电场中各向同性的球体的示意图。Figure1.2LSPRofmetalnanoparticles.(a)SketchofLSPRinmetalnanoparticles.(b)Sketchofahomogeneoussphereplacedintoanelectrostaticfield.（图注：引用自[17]）下面我们将利用准静电近似法来研究单个球体的LSPR特性[18]。对于半径为a的各向同性均匀的球体，当其位于标准静电场0EEz中时，球体周围的介质具有各向同性，并具有非吸收特性，其介电常数为m，在远离球体的位置处电场线的方向平行于z方向。球体的介电函数为()，如图1.2（b）所示。在电磁学方法中，求解拉普拉斯方程，电势20，电场强度E，求解得[19]：(1)0(,)(cos)llllllrArBrP…（1.17）其中θ为P位置矢量r和z轴的夹角（图1.2（b））?
第1章绪论9Kneipp和Nie等人在粗糙的Ag表面上使单分子的拉曼散射截面上的增强因子高达1014，其中基于“热点”效应导致的高度局域的电磁场贡献了高达1012的因素，这一有记录的表面增强拉曼散射的研究也开启了基于贵金属粗糙薄膜、纳米粒子和纳米微腔等SERS研究的热潮[23,24]。设计和制备表面结构可控且具有SERS性能最优的基底是研究金属结构中LSPR对表面分子的SERS贡献的重要方向。2005年，Baumberg等人设计和制备了具有有纳米孔栅格结构的金属膜平面[25]，如图1.3所示，其纳米栅格结构既可以提供局域等离子体共振，又可以调节晶格常数以满足相位匹配条件，实现了单分子拉曼散射的极大增强。图1.3利用纳米孔隙金属膜为基底的SERS：（a）纳米孔隙金属膜的SEM图，（b）SERS原理示意图，（c）不同基底的SERS光谱图。Figure1.3SERSusingnanoporousmetalfilmsassubstrates.(a)SEMimagesofnanoporousmetalfilms.(b)SchematicofSERS.(c)SERSspectrumofdifferentsubstrate.（图注：引用自[25]）随着科学家数年来不断的探索、创造和优化，SERS研究中得到了许多构型新颖并具有更多稳定“热点”增强效应的纳米结构，例如纳米立方体，纳米花以及纳米星等精细结构等。2013年HongxingXu课题组报道了在不同的金属纳米结构中的“热点”效应对等离子体增强SERS的作用，包括耦合金属纳米粒子、纳米结构阵列、具有纹理表面的纳米/微结构等SERS基底[26]。如图1.4（a）所示，该课题组报道了金属纳米粒子（MetalNanoparticlesOveraMetalMirror,NOPM）
【参考文献】：
博士论文
[1]基于表面等离激元的选择性拉曼增强特性研究[D]. 祁正青.东南大学 2019
[2]人工微结构超材料的光场传输与耦合调控及其应用[D]. 杨辉.中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所) 2018
[3]金属微纳结构对ZnTe纳米线光电特性的调控研究[D]. 聂奎营.南京大学 2018
[4]微纳结构表面等离激元激发的理论研究及其器件设计[D]. 商雄军.湖南大学 2018
[5]金属—介质—金属复合超表面的制备、模式特性及其荧光辐射调控研究[D]. 任远.中国科学技术大学 2018
[6]几种典型纳米结构的表面增强拉曼与荧光过程的理论研究[D]. 魏勇.燕山大学 2018
[7]基于金属银纳米结构改善有机太阳能电池光吸收性能的研究[D]. 王文艳.太原理工大学 2017
[8]表面等离激元增强InGaN探测器性能研究[D]. 刘小桐.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 2017
[9]周期性纳米金属粒子表面等离子体共振的调控及应用[D]. 刘星.中国科学院研究生院(上海应用物理研究所) 2017
[10]基于表面等离激元的低损耗半导体纳米激光器研究[D]. 于海超.哈尔滨工业大学 2017
本文编号：3252450
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