本文選題：金屬復合納米結(jié)構(gòu)　切入點：增強光學透射　出處：《江西師范大學》2015年碩士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：表面等離激元(Surface plasmons,SPs)是指在金屬和介質(zhì)交界面由于自由電子和光子的相互作用而形成的一種電磁場表面倏逝波模式,包括沿金屬與介質(zhì)界面?zhèn)鞑サ谋砻娴入x極化激元(Surface plasmon polaritons,SPPs)和局域在金屬納米顆粒及表面微結(jié)構(gòu)的局域表面等離激元(Localized surface plasmons,LSPs)兩種模式。金屬納米結(jié)構(gòu)由于表面等離激元的激發(fā),能夠?qū)⒆杂锌臻g的光輻射能量有效耦合到高度受限的表面模式,從而在金屬表面納米尺度范圍內(nèi)形成極大增強的局域場,這導致了許多光學效應得到顯著增強,如拉曼散射、光透射、光催化等,也產(chǎn)生了很多新奇的物理現(xiàn)象,如增強光透射、Fano共振、亞波長光局域等。共振的表面等離激元因具有光子學的速度和電子學的尺度,可克服衍射極限,能夠在亞波長結(jié)構(gòu)中對光進行約束和操控,所以被認為是替代電子、光子的極具前途的信息載體。表面等離激元對金屬納米結(jié)構(gòu)的形狀、材料、尺寸和介電環(huán)境等因素的高度敏感性,為操控金屬納米結(jié)構(gòu)的光學性質(zhì)創(chuàng)造了有利條件�，F(xiàn)有納米精密加工技術的發(fā)展,使得許多新型的金屬納米結(jié)構(gòu)及納米光子器件得以設計和制備。所以金屬納米結(jié)構(gòu)在生物光子學、亞波長集成光學、生物化學探測等許多領域得到了廣泛的應用。1998年,Ebbesen等率先發(fā)現(xiàn)光通過孔洞陣列銀薄膜結(jié)構(gòu)會產(chǎn)在異常光透射現(xiàn)象(Extraordinary optical transmission,EOT),基于表面等離激元的共振激發(fā)和耦合而導致的增強光透射效應引起了大家廣泛的關注。利用金屬納米結(jié)構(gòu)實現(xiàn)增強光透射的特性,有利于實現(xiàn)新型的光電器件如濾波器、透明導體、光耦合器,傳感器和新型光源等。在本論文中,我們設計了六種金屬復合納米結(jié)構(gòu),研究了這些結(jié)構(gòu)的增強光透射性能,并探索了這些結(jié)構(gòu)在光學傳感領域的應用。主要的研究工作和成果如下:1介紹了表面等離激元的發(fā)展歷史、種類、內(nèi)在機理以及相關物理特征,如色散關系、激發(fā)方式、傳播方式及應用,這是本文的理論基礎。2主要介紹了金屬薄膜結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析方法:時域有限差分法和電磁場有限元法,其中時域有限差分法是本文結(jié)構(gòu)設計和模擬仿真所使用的方法。3設計和研究了兩種狹縫式薄膜金屬結(jié)構(gòu)。1)雙層圓柱式結(jié)構(gòu),在單純的孔洞陣列結(jié)構(gòu)單元中引入一層空氣環(huán),出現(xiàn)了獨特的模式雜化與法諾共振效應,他們與表面等離激元的共振耦合、光波導腔模作用共同導致了在可見光及近紅外波段得到了獨特的高透射雙波峰透射現(xiàn)象。通過改變內(nèi)外環(huán)的尺寸大小等結(jié)構(gòu)參數(shù)可以有效調(diào)節(jié)光學透射特征。2)“日”字型薄膜金屬結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)單元是通過將空氣狹縫和金屬納米棒相結(jié)合而形成。為了獲得單一波長的透射,我們選擇使用具有相同寬度的狹縫。通過改變納米棒的尺寸與狹縫的寬度及結(jié)構(gòu)的周期,可以有規(guī)律地調(diào)節(jié)透射波譜的波峰位置與帶寬。這種近乎完美的增強光透射效應主要來自局域表面等離激元的共振激發(fā)與耦合作用。此外,結(jié)構(gòu)對周圍環(huán)境的介電常數(shù)也表現(xiàn)出規(guī)律的變化,具有傳感領域的潛在應用。4復合性孔洞結(jié)構(gòu)具有光場增強及可調(diào)節(jié)性的優(yōu)勢,但由于結(jié)構(gòu)復雜而實現(xiàn)較難。我們設計了兩種簡單易于實現(xiàn)的復合型孔洞式薄膜金屬結(jié)構(gòu)。1)復合矩形式,通過在中心矩形孔的兩側(cè)引入兩個小的方形孔組成單元陣列。研究發(fā)現(xiàn),這種復合式結(jié)構(gòu)的光透射強度要比大孔陣列與小孔陣列結(jié)構(gòu)單獨存在時的透射強度之和還要高12%,這種極大的光透射增強現(xiàn)象主要來自于中心大孔和兩側(cè)小孔之間表面等離激元的共振激發(fā)和強耦合作用。2)復合圓孔式,通過在中心圓孔的外側(cè)圓周上引入一圈小圓孔的方法來實現(xiàn)光透射增強。通過對不同小孔數(shù)量(0、4、8)的對比研究,發(fā)現(xiàn)在有小孔包圍的情況下,其光透射強度顯著提高;而在有小孔包圍的情況下,小孔數(shù)量的增加并未顯示出較大的優(yōu)勢,但其增強光透射特征都會隨圓孔尺寸的增大呈線性增長趨勢。這兩種復合結(jié)構(gòu)的研究說明,在金屬薄膜結(jié)構(gòu)中適當引入一些小孔,通過各個孔之間的等離激元模式的耦合作用,可以完善光學透射特性。他們對周圍介電環(huán)境的變化也表現(xiàn)出很高的敏感度,在傳感領域具有潛在的應用前景。5由于三角形結(jié)構(gòu)具有三個60°的尖角可以提供更強等離激元的激發(fā),故在局域等離激元方面有獨特的優(yōu)勢。因此,我們設計了一種具有等邊三角形孔洞陣列的薄膜金屬結(jié)構(gòu),通過改變該結(jié)構(gòu)中三角形的排列方式以及孔洞的尺寸或周期,有效調(diào)節(jié)透射波譜,從而獲得增強的光學透射效應。6提出了一種新型的“三明治”結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)是通過將金屬納米顆粒(如Cu)和非金屬材料顆粒(如SiO2)陣列重疊放置在兩介質(zhì)薄膜之間組成。通過調(diào)節(jié)相鄰納米顆粒之間的局域等離激元共振及雜化耦合作用,獲得了從近紅外到可見光波段的寬帶強增強透射現(xiàn)象。以上結(jié)構(gòu)的設計和光學特性研究,為增強光透射研究奠定了基礎,有助于金屬納米結(jié)構(gòu)在新型光學傳感器、濾波器及光學透明電極等領域的應用發(fā)展。
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【學位授予單位】：江西師范大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TB383.1;O485

【參考文獻】

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1 王慶艷;王佳;張書練;;基于金屬表面等離子激元控制光束的新進展[J];光學技術;2009年02期

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本文編號：1591164