本文選題：金屬納米線　切入點(diǎn)：傳導(dǎo)型表面等離激元　出處：《浙江大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：得益于表面等離激元獨(dú)特的性質(zhì),低維金屬納米材料可以在深亞波長(zhǎng)尺度上實(shí)現(xiàn)對(duì)光的約束與操縱,從而吸引了來(lái)自物理、化學(xué)以及生物等科研領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。其中,金屬納米線和納米顆粒作為典型的一維與零維金屬納米結(jié)構(gòu),因其獨(dú)特的光子學(xué)特性,在超緊湊全光回路、激光技術(shù)、生物化學(xué)傳感、非線性光學(xué)以及量子光學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。金屬納米線具有體表面積大、倏逝場(chǎng)強(qiáng)、機(jī)械強(qiáng)度高、光場(chǎng)束縛能力強(qiáng)與傳輸損耗相對(duì)較低等特點(diǎn),是組成傳導(dǎo)型表面等離激元器件的基本單元。然而目前對(duì)于金屬納米線光子學(xué)特性的理論研究仍然不夠全面。例如：受襯底支撐的金屬納米線的導(dǎo)波特性沒(méi)有得到系統(tǒng)的研究,金屬納米線在液體環(huán)境中的傳感特性也有待更加深入的討論。金屬納米顆粒能在三個(gè)維度上都實(shí)現(xiàn)對(duì)光場(chǎng)的深亞波長(zhǎng)約束,并伴有顯著的局域場(chǎng)增強(qiáng),是典型的基于局域型表面等離激元的零維結(jié)構(gòu)。然而由于輻射與非輻射損耗,其表面等離激元共振的線寬通常較寬,壽命通常較短,能實(shí)現(xiàn)的局域光場(chǎng)能量增強(qiáng)也受到了限制,影響了其在生化傳感等諸多領(lǐng)域的應(yīng)用。如何獲得更窄的表面等離激元共振線寬,是目前表面等離激元研究領(lǐng)域的一個(gè)重要問(wèn)題。在上述背景下,本論文基于金屬納米線和納米顆粒這兩種典型的低維金屬納米結(jié)構(gòu),對(duì)其光子學(xué)特性及其傳感應(yīng)用進(jìn)行了研究,主要工作分為以下幾個(gè)部分：第一章主要介紹了傳導(dǎo)型與局域型表面等離激元的原理,金屬納米線和納米顆粒的研究背景以及典型的應(yīng)用。在第二章中,基于數(shù)值模擬的方法,對(duì)低維金屬結(jié)構(gòu)表面等離激元光子學(xué)特性以及傳感應(yīng)用進(jìn)行了理論研究：(1)通過(guò)數(shù)值計(jì)算,分析了金屬納米顆粒的模場(chǎng)分布與遠(yuǎn)場(chǎng)光譜特性,并對(duì)表面等離激元共振的線寬、壽命、Q因子以及傳感靈敏度與FOM等進(jìn)行了討論。研究的結(jié)果為后續(xù)金納米棒的實(shí)驗(yàn)部分提供了理論基礎(chǔ)；(2)系統(tǒng)地研究并得到了置于介質(zhì)襯底上的金屬納米線的光子學(xué)特性,包括傳播常數(shù)、能量分布、有效模場(chǎng)面積、傳播長(zhǎng)度以及傳輸損耗。與懸空的金屬納米線相比,受襯底支撐的金屬納米線可以同時(shí)提供更強(qiáng)的光場(chǎng)約束與相對(duì)較大的傳播長(zhǎng)度。此外,我們還分析了金屬納米線-襯底系統(tǒng)中幾何尺寸、襯底折射率等因素與其光子學(xué)特性之間的關(guān)系。研究的結(jié)果對(duì)基于金屬納米線等一維表面等離激元波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用具有重要的參考價(jià)值,為基于介質(zhì)襯底加載型表面等離激元波導(dǎo)的光子學(xué)器件的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)；(3)提出并在理論上演示了一種液體環(huán)境中,基于金納米線的超小尺寸、高靈敏馬赫曾德相位型折射率傳感,并探討了不同的液體環(huán)境與不同的納米線直徑對(duì)靈敏度、分辨率等傳感性能的影響。結(jié)果表明,對(duì)于直徑為100 nm的金納米線,其靈敏度可高達(dá)5.5π/(μm·RIU),并可以通過(guò)減小納米線直徑的方法進(jìn)一步提高靈敏度。該研究結(jié)果為發(fā)展液體環(huán)境中,基于一維傳導(dǎo)型表面等離激元的小尺寸、超緊湊、高靈敏傳感提供了新的思路。在第三章中,介紹了典型的低維金屬納米結(jié)構(gòu)及實(shí)驗(yàn)相關(guān)材料的制備方法,并介紹了用于研究單個(gè)金屬納米顆粒散射特性的暗場(chǎng)顯微裝置。在第四章中,通過(guò)金納米棒與微納光纖回音壁腔的強(qiáng)耦合系統(tǒng),得到了單模、幾乎無(wú)光譜背景且具有極窄線寬的表面等離激元共振。研究結(jié)果表明,當(dāng)微納光纖直徑小于約6μm時(shí),金納米棒與回音壁腔開(kāi)始發(fā)生強(qiáng)耦合相互作用,導(dǎo)致其遠(yuǎn)場(chǎng)散射光譜上明顯的模式劈裂與線寬壓縮。當(dāng)微納光纖的直徑為1.46μm時(shí),在金納米棒的散射光譜上,獲得了單模、線寬僅為2 nm的表面等離激元共振峰,其Q值高達(dá)330,且具有約30 dB的消光比。在表面等離激元諧振峰處,相較于單個(gè)沒(méi)有耦合的金納米棒,與腔強(qiáng)耦合的金納米棒能夠提供約為30倍的散射增強(qiáng)。此外,還通過(guò)鈀包覆的金納米棒與微納光纖的強(qiáng)耦合,將單個(gè)鈀包覆的金納米棒的線寬壓縮至2.5 nm,實(shí)現(xiàn)了較高品質(zhì)(Q-256)的表面等離激元共振。本章中提出的金納米棒-微納光纖回音壁腔強(qiáng)耦合系統(tǒng),在基于局域表面等離激元的超高靈敏度傳感器、超低閾值激光器等方面具有巨大的應(yīng)用潛力。第五章是對(duì)本論文主要研究工作和創(chuàng)新點(diǎn)的總結(jié)以及對(duì)未來(lái)工作的展望。
[Abstract]:Metal nanowires and nano - particles are widely used in the fields of physics , chemistry , biology and other fields .
( 2 ) The photonic properties of metal nanowires placed on a dielectric substrate are systematically studied , including the propagation constant , the energy distribution , the effective mode field area , the propagation length and the transmission loss . Compared with the suspended metal nanowires , the metal nanowires supported by the substrate can provide stronger optical field confinement and relatively large propagation length .
In chapter 3 , a strong coupling system of gold nanorods and micro - nano - fiber is presented . The results show that , when the diameter of the micro - nano - fiber is less than about 6 渭m , the sensitivity can be up to 5.5 蟺 / ( 渭m 路 RIU ) .

【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TG111

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本文編號(hào)：1698913