納米天線的定向散射特性是微納光學(xué)領(lǐng)域最活躍的研究熱點(diǎn)之一,在表面增強(qiáng)拉曼散射、化學(xué)生物傳感器、太陽(yáng)能電池和光學(xué)顯微鏡等領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力。由于納米天線散射的電磁場(chǎng)在遠(yuǎn)場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的相干效應(yīng),因而導(dǎo)致遠(yuǎn)場(chǎng)輻射特性發(fā)生顯著變化,定向散射的機(jī)理和場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)不十分清楚。本文從局域表面等離子體共振(Localized surface plasmon resonance,LSPR)基本原理出發(fā),采用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)金屬-介電納米核殼二聚體、全介電納米天線和金屬-介電貼片型納米天線的近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)特性進(jìn)行系統(tǒng)研究,考察納米天線對(duì)光波的近場(chǎng)增強(qiáng)以及遠(yuǎn)場(chǎng)特性,包括對(duì)光波的散射效率、散射的方向性、極化特性等方面,闡明納米天線多模的相互作用與遠(yuǎn)場(chǎng)方向性散射之間的聯(lián)系,為新型納米天線的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。提出一種Au-ITO-Ag對(duì)稱性破缺三層納米核殼結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果表明,入射光偏振方向、波長(zhǎng)和尺寸等參數(shù)對(duì)LSPR共振模式及遠(yuǎn)場(chǎng)分布規(guī)律有顯著影響。偶極對(duì)稱模式隨金內(nèi)核半徑的增大而紅移,共振波長(zhǎng)在可見光到近紅外波長(zhǎng)范圍內(nèi)變化。電場(chǎng)輪廓增強(qiáng)分析表明,Ag外殼納米杯缺口處電場(chǎng)增強(qiáng)最顯著,對(duì)稱性破缺三層納米核殼不僅可以對(duì)光場(chǎng)的消光效率進(jìn)行調(diào)控,還可對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)散射的方向性產(chǎn)生影響。設(shè)計(jì)高介電硅十字架二聚體納米天線、空心納米盤光學(xué)天線和金屬-介電核殼納米盤天線,探索磁“熱點(diǎn)”形成機(jī)制。遠(yuǎn)場(chǎng)分布圖結(jié)果表明,硅十字架納米天線和空心納米盤光學(xué)天線能夠支持電偶極矩、磁偶極矩、電四極矩和磁四極矩等多個(gè)共振模式,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)單向性散射。電、磁偶極源的激勵(lì)對(duì)空心納米盤天線的共振模式響應(yīng)特性有調(diào)制作用,可增大珀塞爾系數(shù),增強(qiáng)磁偶極源的輻射衰減率。金屬-介電核殼納米盤天線可極大減小金屬損耗,并能夠保持LSPR特性。在804nm、924nm和952nm特定波長(zhǎng)下,多極矩輻射能量耦合作用近似滿足Kerker條件,實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)遠(yuǎn)場(chǎng)單向性散射。研究還表明,硅-金核殼納米盤天線不僅遠(yuǎn)場(chǎng)激發(fā)可產(chǎn)生單向性散射,近場(chǎng)激發(fā)同樣可產(chǎn)生單向性輻射。將增益介質(zhì)和吸收介質(zhì)引入納米天線,構(gòu)建一個(gè)宇稱-時(shí)間(Parity-time,PT)對(duì)稱納米天線體系,深入研究PT對(duì)稱金屬-介電正方體核殼納米天線的近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)散射特性。結(jié)果表明,通過(guò)調(diào)節(jié)PT對(duì)稱納米天線體系的虛部可有效改變納米天線的遠(yuǎn)場(chǎng)散射特性;當(dāng)k=0.38和k=0.76時(shí),分別實(shí)現(xiàn)前向散射和背向散射,表現(xiàn)為雙波長(zhǎng)遠(yuǎn)場(chǎng)方向性輻射特性。研究電偶極源激發(fā)下PT對(duì)稱多層圓形和方形金屬-介電貼片型納米天線的腔模特性�；谇荒Ｅc偶極輻射源重疊程度和對(duì)稱性原理,通過(guò)改變偶極源位置,能夠選擇性地激發(fā)納米天線的腔模。研究表明,通過(guò)PT對(duì)稱多層方形金屬-介電貼片型天線的電共振和磁共振腔模耦合作用,能夠滿足Kerker條件,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)單向散射;調(diào)節(jié)PT對(duì)稱納米天線體系的虛部,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)能量由背向輻射到前向輻射的轉(zhuǎn)換。本文的研究方法和結(jié)果為設(shè)計(jì)和調(diào)控納米天線的光學(xué)性質(zhì)提供理論指導(dǎo),對(duì)拓寬LSPR的應(yīng)用領(lǐng)域和提高生物化學(xué)傳感器性能具有一定的參考價(jià)值。
【學(xué)位單位】：東北石油大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN820
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
創(chuàng)新點(diǎn)摘要
第一章 緒論
    1.1 課題研究的背景及意義
    1.2 表面等離激元和局域表面等離激元
        1.2.1 表面等離激元納米天線
        1.2.2 局域表面等離子體納米天線
    1.3 納米天線的類別及化學(xué)制備方法
        1.3.1 納米天線的類別
        1.3.2 納米天線的化學(xué)制備方法
    1.4 納米天線的應(yīng)用
    1.5 本文的主要研究?jī)?nèi)容
第二章 納米天線的基本理論與研究方法
    2.1 引言
    2.2 表面等離子體相關(guān)原理
    2.3 納米天線的主要性能參數(shù)
        2.3.1 散射單向性
        2.3.2 衰減輻射率
        2.3.3 偏振特性
    2.4 光學(xué)共振模式的多極子展開
        2.4.1 理想多極子
        2.4.2 多極子展開方法
    2.5 電磁場(chǎng)研究中的數(shù)值方法
        2.5.1 有限元理論基礎(chǔ)
        2.5.2 有限元建模
    2.6 本章小結(jié)
第三章 對(duì)稱性破缺納米核殼二聚體的近場(chǎng)和方向性散射特性
    3.1 引言
    3.2 對(duì)稱性破缺三層納米核殼的消光特性
        3.2.1 共振模式不同時(shí)納米核殼二聚體的消光性
        3.2.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)納米核殼二聚體消光性能的影響
    3.3 對(duì)稱性破缺三層納米核殼的電場(chǎng)增強(qiáng)和電荷分布特性
    3.4 對(duì)稱性破缺三層納米核殼的遠(yuǎn)場(chǎng)分布特性
    3.5 本章小結(jié)
第四章 全介電和介電-金屬納米天線的多波長(zhǎng)單向散射特性
    4.1 引言
    4.2 硅十字架二聚體的單向性納米天線
        4.2.1 硅十字架二聚體的散射特性
        4.2.2 硅十字架二聚體的近場(chǎng)特性
        4.2.3 硅十字架二聚體的遠(yuǎn)場(chǎng)特性
    4.3 硅空心納米盤天線的單向性納米天線
        4.3.1 硅空心納米盤的散射特性
        4.3.2 硅空心納米盤的近場(chǎng)特性
        4.3.3 硅空心納米盤的遠(yuǎn)場(chǎng)特性
    4.4 金屬-高介電核殼結(jié)構(gòu)納米盤的零背向散射特性納米天線
        4.4.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)納米盤散射特性的影響
        4.4.2 核殼結(jié)構(gòu)納米盤的零背向散射特性
        4.4.3 尺寸不同時(shí)核殼結(jié)構(gòu)納米盤的散射特性
        4.4.4 核殼結(jié)構(gòu)納米盤的遠(yuǎn)場(chǎng)分布特性
    4.5 本章小結(jié)
第五章 PT對(duì)稱的金屬-介電復(fù)合納米天線的單向散射調(diào)控特性
    5.1 引言
    5.2 PT對(duì)稱的金屬-介電正方體核殼二聚體的消光特性
        5.2.1 增益和損耗系數(shù)k對(duì)散射、吸收及消光截面的影響
        5.2.2 正方體核殼二聚體的近場(chǎng)特性
        5.2.3 正方體核殼二聚體的遠(yuǎn)場(chǎng)特性
    5.3 PT對(duì)稱的金屬-介電貼片型納米天線的光學(xué)特性
        5.3.1 圓盤納米天線的腔模特性
        5.3.2 方形納米天線的腔模特性
        5.3.3 方形納米天線的單向性散射調(diào)控
    5.4 本章小結(jié)
結(jié)論
參考文獻(xiàn)
發(fā)表文章目錄
致謝

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前6條

1 許杰;王瀚林;黃志祥;吳先良;;增益金納米球殼光學(xué)特性研究[J];量子電子學(xué)報(bào);2015年05期

2 陳琦;;納米化學(xué)研究的新進(jìn)展[J];化學(xué)工程師;2015年08期

3 孫勇;譚為;陳鴻;;光子人工微結(jié)構(gòu)材料中的若干類量子現(xiàn)象[J];物理;2012年09期

4 孫瑋;李德昌;姚向衛(wèi);;基于碳納米管的納米光學(xué)天線的特性分析[J];電子科技;2010年06期

5 王振林;;表面等離激元研究新進(jìn)展[J];物理學(xué)進(jìn)展;2009年03期

6 夏玉學(xué);王維彪;陳明;梁靜秋;雷達(dá);陳松;劉麗麗;姜錦秀;;無(wú)氫化學(xué)氣相沉積法制備碳納米管[J];功能材料與器件學(xué)報(bào);2005年04期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前2條

1 陳楊;領(lǐng)結(jié)形納米孔光學(xué)天線的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2016年

2 王喬;幾種納米結(jié)構(gòu)表面等離子體激元光頻特性研究[D];大連理工大學(xué);2013年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前3條

1 蔡?hào)|進(jìn);電介質(zhì)納米結(jié)構(gòu)中法諾共振效應(yīng)的研究[D];太原理工大學(xué);2016年

2 王勝磊;磁環(huán)形矩及其在開口諧振環(huán)中的實(shí)現(xiàn)與特性研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2014年

3 王秋谷;對(duì)稱性破缺對(duì)金屬納米球殼陣列中表面等離激元的影響[D];南京大學(xué);2012年

本文編號(hào)：2851091