在納米光子學(xué)中,光子與物質(zhì)之間的相互作用可激發(fā)出沿著金屬表面?zhèn)鞑サ馁渴挪?即表面等離激元（Surface plasmon polaritons,SPPs）。表面等離激元有助于實(shí)現(xiàn)拉曼散射增強(qiáng)、光催化、光學(xué)透射增強(qiáng)等效應(yīng)。超材料是在探索納米光學(xué)器件時(shí)發(fā)現(xiàn)的一類新型材料,基于金屬表面等離激元共振的超材料因其獨(dú)特的物理特性例如完美吸收、負(fù)折射率效應(yīng)引起了人們的廣泛關(guān)注,在結(jié)構(gòu)簡單、高集成度、低成本、超緊湊的傳感、太陽能電池等領(lǐng)域已成為近年來研究的熱點(diǎn)。但在高品質(zhì)光學(xué)傳感領(lǐng)域仍然存在一些難題,如入射角窄、偏振敏感、頻帶單一、傳感靈敏度較低等。本文基于金屬表面等離激元共振構(gòu)建了兩種多頻完美吸收超材料結(jié)構(gòu),利用時(shí)域有限差分法構(gòu)建模型并進(jìn)行數(shù)值模擬、優(yōu)化以及相關(guān)機(jī)理的探索,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)的多頻帶光學(xué)傳感。主要有以下幾個方面:1.介紹了研究背景、超材料及基于等離激元超材料在完美吸收器方面的研究現(xiàn)狀。2.介紹了多頻超材料吸收器的理論基礎(chǔ):表面等離激元的發(fā)展、基本性質(zhì)、色散關(guān)系、激發(fā)方式、超材料吸收器傳感特性指標(biāo)以及選用的數(shù)值計(jì)算方法的原理及優(yōu)點(diǎn)。3.設(shè)計(jì)和研究了雙頻表面等離激元超材料吸收器,在可見-近紅... 

【文章來源】：江西師范大學(xué)江西省

【文章頁數(shù)】：60 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

Landy等人[29]設(shè)計(jì)的超材料吸收器(a)結(jié)構(gòu)示意圖；(b)吸收光譜圖

基于等離激元共振的多頻完美吸收超材料結(jié)構(gòu)的構(gòu)建及光學(xué)特性研究3圖1-5Landy等人[29]設(shè)計(jì)的超材料吸收器(a)結(jié)構(gòu)示意圖；(b)吸收光譜圖2011年，Liu等人[30]提出了一個Au-MgF2-Au組成的超材料窄帶吸收器，實(shí)驗(yàn)中在波長為1.6μm處產(chǎn)生約99%的吸收率，結(jié)構(gòu)如圖1-6(a)所示。結(jié)構(gòu)參數(shù)為：Au圓盤的半徑和厚度分別為352nm和20nm，MgF2介質(zhì)層的厚度為30nm，Au基底層厚度為200nm，結(jié)構(gòu)周期為600nm。此外，該吸收器在TE波和TM波下都具有寬入射角范圍的高吸收性，如圖1-6(b)顯示了TE波和TM波的吸收峰在不同入射角上的角色散圖。在TM偏振中，吸收峰幾乎與入射角無關(guān)，在80°時(shí)吸收峰也高達(dá)96%，這是因?yàn)槿肷涔獾拇艌龇较蛟诓煌肷浣窍卤３植蛔儯梢杂行У仳?qū)動各個入射角的環(huán)流電流；相反，對于TE偏振，磁場在大角度下不能有效地驅(qū)動循環(huán)電流，但在80°時(shí)，吸收率仍然保持在50%。該吸收器結(jié)合了完美吸收器和表面等離激元傳感器的概念，并首次通過實(shí)驗(yàn)證明了在近紅外波段下該窄帶完美吸收器可作為表面等離激元傳感器，為表面等離激元傳感開辟了一個新的方向，將促進(jìn)一類新的納米級生物/化學(xué)傳感器的誕生。圖1-6Liu等人[30]設(shè)計(jì)的超材料吸收器(a)結(jié)構(gòu)示意圖；(b)不同偏振下入射角的吸收光譜圖除單頻吸收器外，雙頻以及多頻吸收器也備受大眾的關(guān)注。2018年，Liu等人[31]提出并演示了一種新型的功能性金屬-半導(dǎo)體復(fù)合超材料，該金屬板可支持嵌入高折射率的半導(dǎo)體，獲得完美的光吸收以及增強(qiáng)的局部電磁常其中，結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：周期為500nm、Si環(huán)內(nèi)徑和外徑分別為160nm和220nm、Si環(huán)和

碩士學(xué)位論文4Ag膜厚度分別為80nm和200nm，結(jié)構(gòu)如圖1-7所示。在Ag-Si共振結(jié)構(gòu)中，最大光譜吸收高于99.0%，實(shí)現(xiàn)了可見光-近紅外范圍內(nèi)的雙頻段光吸收。另外，當(dāng)采用成對的Si環(huán)陣列時(shí)，可以獲得三頻段光吸收。此外，還觀察到吸收器材料可由其他金屬和半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)，即可以通過引入其他光學(xué)共振介電納米結(jié)構(gòu)來獲得多頻段光吸收。這些光學(xué)特性和結(jié)構(gòu)特征不僅可以為多頻段光吸收提供替代方法，而且還為功能性光電技術(shù)(例如紅外光電探測器，熱電子激發(fā)和非線性光學(xué))提供了新的思路。圖1-7Liu等人[31]設(shè)計(jì)的金屬-半導(dǎo)體復(fù)合超材料吸收器(a)結(jié)構(gòu)示意圖；(b)吸收光譜圖同年，Zhao等人[32]提出了一種近紅外多頻窄帶超材料完美吸收器的設(shè)計(jì)，利用非對稱結(jié)構(gòu)以及堆疊法來增加吸收帶的數(shù)量，結(jié)構(gòu)如圖1-8所示�；诮饘�-電介質(zhì)-金屬(MDM)結(jié)構(gòu)獲得了單頻帶吸收，其吸收率超過94%；基于對稱電介電-電介電-金屬（SDDM）結(jié)構(gòu)獲得了雙頻段吸收，吸收率分別超過99%和96%；通過減小兩個金屬條的長度得到非對稱結(jié)構(gòu)，并基于非對稱電介質(zhì)-電介質(zhì)-金屬（ASDDM）結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了四頻段吸收，與對稱結(jié)構(gòu)相比額外獲得了兩個吸收帶，吸收率分別為98%和94%。經(jīng)過初步比較與分析，利用非對稱結(jié)構(gòu)可以設(shè)計(jì)出多頻帶吸收器。隨后，Zhao等人嘗試將介質(zhì)共振器堆疊在金屬共振器上以獲得更多的吸收帶。如圖1-8(a)所示，將雙頻帶SDDM結(jié)構(gòu)堆疊在單頻帶MDM結(jié)構(gòu)上獲得了SDDMDM結(jié)構(gòu)，在近紅外波段成功實(shí)現(xiàn)了三頻段吸收；如圖1-8(c)所示，將四波段ASDDM結(jié)構(gòu)堆疊在單波段MDM結(jié)構(gòu)上，在近紅外波段中獲得了五頻段吸收。初步分析表明，采用堆疊法可以用于設(shè)計(jì)多頻帶吸收器。這兩種方法為我們后續(xù)設(shè)計(jì)多頻帶超材料完美吸收器提供了更多的方向。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]A theoretical study of a plasmonic sensor comprising a gold nano-disk array on gold film with a SiO2 spacer[J]. 王向賢,朱劍凱,童歡,楊旭東,吳梟雄,龐志遠(yuǎn),楊華,祁云平.  Chinese Physics B. 2019(04)
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博士論文
[1]周期性金屬納米結(jié)構(gòu)表面等離子激元器件的研究[D]. 梁瑜章.大連理工大學(xué) 2016
[2]時(shí)域有限差分法關(guān)鍵問題研究及其應(yīng)用[D]. 袁偉良.西安電子科技大學(xué) 1998

碩士論文
[1]電磁場計(jì)算中的時(shí)域有限差分法的研究[D]. 王濤.吉林大學(xué) 2005



本文編號：2918545