【摘要】：表面等離激元(Surface Plasmon Polaritons,SPP)是光照射到貴金屬時(shí),激發(fā)其表面自由電子集體振蕩相互耦合而形成的一種特殊的電磁波。它在水平方向上沿著金屬表面進(jìn)行傳導(dǎo),在垂直于金屬/介質(zhì)界面上呈指數(shù)衰減。SPP具有近場增強(qiáng)、亞波長控制和表面局域等一系列特殊物理特性。由于SPP共振耦合作用,光通過周期性亞波長孔陣列結(jié)構(gòu)時(shí)具有強(qiáng)透射(EOT)現(xiàn)象。而基于EOT特性的透射峰對周圍環(huán)境折射率變化非常敏感,這一特性為人們設(shè)計(jì)高性能折射率傳感器提供一種新方法。本論文首先理論設(shè)計(jì)了復(fù)合圓弧金孔陣列和H型金孔陣列兩種亞波長孔陣列結(jié)構(gòu)。然后采用時(shí)域有限差分(FDTD)法數(shù)值仿真該兩種器件的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對EOT特性的影響,優(yōu)化其參數(shù)得到最佳EOT特性。最后在此最佳EOT特性條件下重點(diǎn)研究其折射率傳感特性,并對高性能SPP傳感器的理論機(jī)理進(jìn)行了探討。主要的研究成果如下:1、提出了一種由左右、上下對稱的一大、一小圓弧組成的金屬圓弧孔陣列結(jié)構(gòu)。利用該結(jié)構(gòu)形成的法布里-珀羅腔來加強(qiáng)SPP耦合作用,以期獲得一個(gè)較好的EOT現(xiàn)象。同時(shí)研究基于該現(xiàn)象的折射率傳感特性。采用FDTD法研究了該孔陣列結(jié)構(gòu)中大、小圓弧孔的半徑、兩圓弧的圓心距和陣列周期對EOT現(xiàn)象的影響。研究發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)中的大、小圓弧半徑分別為95,70 nm,兩圓弧的圓心距為100 nm,周期為425 nm,其具有較好的EOT現(xiàn)象。對基于該現(xiàn)象的折射率傳感特性進(jìn)行了探討,其靈敏度為279 nm/RIU。2、提出了一種H型金屬孔陣列結(jié)構(gòu),利用該結(jié)構(gòu)形成的法布里-珀羅腔加強(qiáng)SPP耦合作用,以期獲得一個(gè)較好的EOT現(xiàn)象。采用FDTD法對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值仿真,并詳細(xì)研究了H型金孔陣列中水平方向矩形孔和豎直方向的兩相同對稱矩形孔的長和寬等參數(shù)對EOT特性的影響;同時(shí)研究基于該現(xiàn)象的折射率傳感特性。結(jié)果表明當(dāng)水平方向矩形孔長和寬分別為300nm和120nm,豎直方向的兩相同對稱矩形孔的長和寬分別為60nm和10nm時(shí),獲得了較好的EOT現(xiàn)象。并在此基礎(chǔ)上獲得折射率的靈敏度可為389RIU/nm。3、初步提出硅模板轉(zhuǎn)移法制備亞波長金孔陣列傳感器件的實(shí)驗(yàn)方案,以期該模板可以使用,從而有效降低成本和縮短納米加工的時(shí)間。
【學(xué)位授予單位】：桂林電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TG111
【圖文】：

這些領(lǐng)域中常用的傳感器在小分子檢測、實(shí)時(shí)監(jiān)測等應(yīng)用時(shí)存在型化、待測物識別快速化等方面遇到很多技術(shù)難題。在此大背一種免標(biāo)記、實(shí)時(shí)監(jiān)測、成本低廉、能打破傳統(tǒng)方案制約的、且面等離激元(Surface Plasmon Polaritons, SPP)由于其近場增強(qiáng)、量高度局域在亞波長尺寸范圍內(nèi)等一系列特殊的物理特性而受到利用近場光學(xué)耦合作為信息傳輸?shù)拿浇�，通過入射的電磁光波與表面的自由電子之間相互耦合而形成共振的特殊表面波[1]。SPP 率、環(huán)境氣體、生物/化學(xué)等傳感領(lǐng)域中，這是由于 SPP 的透射變化異常敏感，其特殊的物理特性為人們設(shè)計(jì)一種高靈敏度、高提供了新模式。SPP 獨(dú)特的物理特性有望突破傳統(tǒng)傳感器技術(shù)在鍵技術(shù)難題，得到了跨越式的飛速發(fā)展。等離激元(Surface Plasmon Polaritons, SPP)由于在金屬和電介質(zhì)現(xiàn)出一系列特殊規(guī)律的電磁特性，而引起了研究者的重點(diǎn)關(guān)注。方向上沿著金屬表面進(jìn)行傳導(dǎo)，在垂直于金屬/介質(zhì)界面呈指數(shù)的展示 SPP 被嚴(yán)格限制在亞波長納米尺寸范圍內(nèi)的金屬/電介質(zhì)

圖 1.2 LRSPP 共振二維示意圖 (a)LSP 共振示意圖 (b)改變納米粒子尺寸、相對位置對“熱拉曼散射場增強(qiáng)因素影響示意圖究者的不懈努力，隨著近場光學(xué)理論研究的逐步深入， SPP 的 EOT 特了進(jìn)一步完善，在眾多科研工作者一起共同努力深入挖掘下，SPP 具有性有望解決許多常規(guī)光學(xué)器件未能克服的固有缺陷，相比較于電子器件快傳遞信息的速度、更大的傳輸頻帶等突出優(yōu)點(diǎn)，被公認(rèn)為在下一代全

基于 LRSPP 結(jié)構(gòu)的傳感器具有半高寬更窄、靈敏度和分辨率更高等優(yōu)異性能，大大拓寬了 SPP 在細(xì)菌、細(xì)胞等小分子檢測領(lǐng)域的應(yīng)用。接下來介紹LSP的物理特性，它的特點(diǎn)是傳導(dǎo)距離只有短短幾十納米。其圖1.3(a)為 LSP 共振示意圖，以金銀等貴金屬材料為基礎(chǔ)通過一定工藝加工而成的納米陣列，該納米陣列結(jié)構(gòu)內(nèi)部大量電荷密度諧振時(shí)被嚴(yán)格限制在其外表面之內(nèi)，自由電子有規(guī)律的集體振蕩是由于被特定頻率的電磁波照射而與其相干耦合而諧振。這種 LSP 諧振時(shí)有及其獨(dú)特的電磁特性：能量被高度局域在納米陣列的狹縫處；單個(gè)納米微粒構(gòu)成的亞波長尺寸陣列的電磁頻譜響應(yīng)與單個(gè)納米微粒的電磁頻譜響應(yīng)差別較大。由圖1.3(b) 清楚表明，在亞波長尺寸的納米陣列內(nèi)，當(dāng)兩個(gè)單一的金屬納米微粒結(jié)構(gòu)距離僅有 2 nm 時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較為強(qiáng)烈的局域 SPP 相干諧振波。研究表明，兩個(gè)單一的金屬納米微粒狹縫之間的場強(qiáng)增大了 108倍，整個(gè)納米微粒結(jié)構(gòu)因耦合共振而產(chǎn)生的場強(qiáng)比單一的納米微粒的最大電場增大了一千倍左右。其中大部分電場能量被高度聚集在直徑只有幾納米大小的狹縫空間內(nèi)。同時(shí)也表明 LSP 有把光能量局域到亞波長尺寸空間內(nèi)的能力[8]，此特性被廣泛應(yīng)用于拉曼增強(qiáng)等散射和吸收領(lǐng)域。而在實(shí)際的傳感器應(yīng)用中

【參考文獻(xiàn)】

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1 陸林;楊遠(yuǎn)洪;李紅穎;;零雙折射溫度敏感系數(shù)保偏光子晶體光纖研究[J];光學(xué)學(xué)報(bào);2015年10期

2 周峰;邱孫杰;羅煒;徐飛;陸延青;;一種反射型全光纖氫氣傳感器的設(shè)計(jì)[J];光學(xué)學(xué)報(bào);2013年11期

3 易陳林;劉s

本文編號：2798074