【摘要】：金屬納米結(jié)構(gòu)因其在光波段的等離子體共振效應(yīng)而使其光響應(yīng)特性完全不同于金屬體材料,并使其在眾多科學(xué)和工程領(lǐng)域中有著重要應(yīng)用。本論文圍繞金屬納米結(jié)構(gòu)在人工電磁超材料和納米光子學(xué)這兩個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用開(kāi)展研究。在將金屬納米結(jié)構(gòu)應(yīng)用于超材料的研究中,我們將金屬納米結(jié)構(gòu)作為單元結(jié)構(gòu)構(gòu)造光波段超材料,調(diào)控人工材料的光響應(yīng)參數(shù)；在將金屬納米結(jié)構(gòu)應(yīng)用于納米光子學(xué)領(lǐng)域的研究中,我們將金屬納米結(jié)構(gòu)作為納米光學(xué)天線,調(diào)控納米發(fā)光體的發(fā)光特性。我們首先提出了一種基于耦合金屬納米環(huán)的新型雙負(fù)負(fù)折射率超材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。這種新型設(shè)計(jì)可以在可見(jiàn)光波段甚至近紫外波段工作,而且品質(zhì)因子遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于當(dāng)時(shí)的可見(jiàn)光負(fù)折射率超材料。該設(shè)計(jì)填補(bǔ)了低損耗雙負(fù)負(fù)折射率材料在綠光、藍(lán)光、紫光和近紫外波段的空白,可在包括超分辨成像在內(nèi)的超材料應(yīng)用領(lǐng)域中發(fā)揮作用。我們還設(shè)計(jì)了一種新型的介質(zhì)-金屬?gòu)?fù)合諧振環(huán)(Hybrid Ring Resonator, HRR)磁響應(yīng)納米諧振腔。HRR可以在短至近紫外的短波波段構(gòu)造可均勻化的磁響應(yīng)超材料。研究中我們提出了環(huán)形納米諧振腔模型,并將全介質(zhì)磁響應(yīng)諧振腔、傳統(tǒng)開(kāi)口諧振環(huán)(Split-Ring Resonator, SRR)磁響應(yīng)諧振腔和我們?cè)O(shè)計(jì)的介質(zhì)-金屬?gòu)?fù)合諧振環(huán)(HRR)磁響應(yīng)諧振腔這三類諧振腔歸納到環(huán)形納米諧振腔模型框架內(nèi),對(duì)應(yīng)環(huán)形納米諧振腔模型中的三種共振類型。我們提出的新型諧振腔設(shè)計(jì)以及環(huán)形納米諧振腔模型的構(gòu)建和分析對(duì)于磁響應(yīng)納米諧振結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有啟發(fā)意義。研究中,我們首次在單金屬條上發(fā)現(xiàn)了反對(duì)稱等離子共振模式。我們發(fā)現(xiàn),只要形成介質(zhì)-金屬-介質(zhì)(Insulator-Metal-Insulator, IMI)納米三明治結(jié)構(gòu),單金屬條就能支持反對(duì)稱的等離子共振模式。利用數(shù)值模擬和波導(dǎo)諧振腔模型分析,我們揭示了IMI納米三明治結(jié)構(gòu)中高折射率介質(zhì)層在反對(duì)稱等離子共振模式形成中起到的關(guān)鍵作用。我們將IMI納米三明治結(jié)構(gòu)應(yīng)用于構(gòu)造超材料,實(shí)現(xiàn)藍(lán)光至近紫外波段的磁響應(yīng)。IMI納米三明治結(jié)構(gòu)中反對(duì)稱模式的發(fā)現(xiàn)以及波導(dǎo)諧振腔模型建模分析對(duì)于等離子體振蕩模式的理論研究具有啟發(fā)意義；而IMI納米三明治結(jié)構(gòu)所特有的短波磁響應(yīng)特性使其在磁響應(yīng)超材料構(gòu)造以及磁偶極躍遷調(diào)控方面具有潛在應(yīng)用價(jià)值。在納米光源發(fā)光調(diào)控研究中,我們開(kāi)發(fā)了基于單量子點(diǎn)熒光探針的納米天線場(chǎng)增強(qiáng)譜定量測(cè)量方法。該實(shí)驗(yàn)工作的關(guān)鍵是開(kāi)發(fā)高穩(wěn)定性的量子點(diǎn)熒光探針以及高精度構(gòu)建量子點(diǎn)與納米光學(xué)天線的耦合體系。我們?cè)诟吡孔有实牧孔狱c(diǎn)外包覆了二氧化硅膜層,從而實(shí)現(xiàn)了高穩(wěn)定性的單量子點(diǎn)熒光探針；利用本論文開(kāi)發(fā)的基于輕敲模式的原子力顯微鏡納米操縱技術(shù),我們實(shí)現(xiàn)了單量子點(diǎn)與納米光學(xué)天線高精度耦合。該測(cè)量方法不僅能為納米光學(xué)天線的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究提供表征支持；我們還可以利用該方法及該方法中使用的制備技術(shù),開(kāi)發(fā)基于單量子點(diǎn)-納米天線耦合體系的新型量子光源。
【圖文】：

備受矚目的負(fù)巧射率超材料實(shí)現(xiàn)后，，人們開(kāi)始將其王作波段從較易實(shí)現(xiàn)的微波段一路逡逑往短波方向發(fā)展，最終實(shí)現(xiàn)了光波段負(fù)折射率超材料。人們首先通過(guò)縮小銅雙開(kāi)口諧振環(huán)逡逑的整體尺寸，實(shí)現(xiàn)了太赫茲波段的負(fù)滋導(dǎo)率超材料（見(jiàn)圖１．２邋（ｂ））邋［６］。由于雙開(kāi)口諧振逡逑環(huán)等效電容過(guò)大，且縮小尺寸后制備困難，人們改變了諧振環(huán)的結(jié)構(gòu)，利用金單開(kāi)口諧振逡逑環(huán)，實(shí)現(xiàn)了百太赫茲（紅外波段）的負(fù)撼導(dǎo)率超材料（見(jiàn)圖１．２邋（Ｃ））邋［７］。為了進(jìn)一步縮逡逑短工作波長(zhǎng)，單開(kāi)口諧振環(huán)演變?yōu)椋招烷_(kāi)口諧振環(huán)。利用金Ｕ型開(kāi)口諧振環(huán)，人們實(shí)現(xiàn)逡逑了邋１．５Ｍｍ近紅外通訊波段負(fù)磁導(dǎo)率超材料（見(jiàn)圖１．２邋（ｄ））邋［８］。將開(kāi)口諧振環(huán)尺寸繼續(xù)逡逑縮小，人們發(fā)現(xiàn)進(jìn)入了尺寸縮小波長(zhǎng)減小的飽和效應(yīng)區(qū)［９］，當(dāng)利用金開(kāi)口諧振環(huán)實(shí)現(xiàn)９００逡逑ｒｎｎ近紅外磁響應(yīng)超材料（見(jiàn)圖１．２邋（ｅ））時(shí)，飽和效應(yīng)已經(jīng)顯現(xiàn)，磁響應(yīng)已不能讓磁導(dǎo)逡逑率達(dá)到負(fù)值［１０］。逡逑開(kāi)口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)不僅遇到了磁響應(yīng)飽和效應(yīng)，而且將開(kāi)口諧振環(huán)與金屬線結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)逡逑介電常數(shù)與磁導(dǎo)率均為負(fù)的雙負(fù)負(fù)折射率崣姑料在短波段微納米結(jié)構(gòu)上也較難實(shí)現(xiàn)。２００５逡逑年，Ｓ個(gè)研究組幾乎同時(shí)提出了金屬介質(zhì)王明治結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)磕響應(yīng)（圖１．３）邋［１１－１３］。這逡逑種結(jié)構(gòu)中

圖１．２開(kāi)口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)在微波段實(shí)現(xiàn)負(fù)折射率超材料后，將開(kāi)口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)工作波長(zhǎng)往光波逡逑段發(fā)展的結(jié)構(gòu)演化
【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
【分類號(hào)】：TB383.1;TG111

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本文編號(hào)：2570461