超越SNOM探針通光孔徑尺寸的金屬納米間隙超分辨測量
發(fā)布時間：2021-03-07 09:40
采用電磁場有限元方法,數(shù)值模擬了孔徑型掃描近場光學(xué)顯微鏡（aperture Scanning Near-field Optical Microscopy,a-SNOM）在照明模式下的工作過程.針對金偶極天線結(jié)構(gòu),改變天線長度和納米間隙尺寸,計算了a-SNOM探針孔徑的遠(yuǎn)場輻射速率隨探針端面中心坐標(biāo)變化的掃描曲線,實現(xiàn)了超越a-SNOM探針通光孔徑尺寸的天線金屬納米間隙的超分辨測量,對于100nm通光孔徑的探針,可分辨最小尺寸為10nm（0.016倍波長）的金屬間隙.通過對比金屬和介質(zhì)偶極天線的a-SNOM探針遠(yuǎn)場輻射速率測量的計算結(jié)果,表明天線金屬納米間隙的超分辨測量的實現(xiàn)是由于金屬間隙表面等離激元的激發(fā).
【文章來源】：光子學(xué)報. 2020,49(05)北大核心
【文章頁數(shù)】：8 頁
【部分圖文】：
硅偶極天線歸一化遠(yuǎn)場輻射速率Γrad/Γrad,0隨探針端面中心x坐標(biāo)的變化曲線
圖1(a）是使用COMSOL軟件，模擬a-SNOM照明模式下，光纖探針掃描金偶極天線結(jié)構(gòu)的示意圖，從上到下：灰色圓柱表示光纖探針，黃色長方體表示金偶極天線，藍(lán)色長方體表示玻璃基底，黑色圓臺表示收集物鏡．取坐標(biāo)原點位于天線間隙中心，設(shè)天線臂長度為L，天線橫截面為邊長40nm的正方形，兩根天線臂之間的納米間隙水平寬度為w，金偶極天線放置在玻璃基底上．如圖1(a）所示，a-SNOM光纖探針位于金偶極天線上方，COMSOL軟件中，將探針針尖處理為高度200nm的圓柱，探針端面通光孔徑為100nm，外層包覆著厚度為100nm的鋁膜，以避免雜散光進(jìn)入探針[26]．設(shè)針尖出射端面中心在y=0、z=40nm的直線上，沿x方向掃描．本文計算取時間因子為exp(-i wt），其中w為入射光角頻率，t為時間．取入射波長λ=633nm，對于該波長，金的折射率為0.18+3.00i，鋁的折射率為1.37+7.62i[27]．玻璃基底、光纖的折射率均為n=1.5．利用COMSOL軟件端口模式分析，計算得到的探針入射基模式在x-y平面內(nèi)的電場分布如圖1(b）所示，從左至右給出了電場x、y、z分量的模|Ex|、|Ey|、|Ez|，圖中虛線為探針通光孔徑、外層鋁膜的邊界．該基模式的等效折射率為neff=0.14+2.45i，為衰減最慢的模式（即模式的等效折射率虛部最�。�
式中，Re[Ex(0,0,0）]是點源位置電場x分量的實部．用點源在空氣自由空間中的輻射速率Γair=ηvack02na/（12π）對Γtot進(jìn)行歸一化，其中k0=2π/λ，na=1是空氣折射率，ηvac表示真空中波阻抗[30]．Γtot/Γair表示輻射速率的增強(qiáng)倍數(shù)，稱為Purcell因子[31]．計算基于嚴(yán)格耦合波分析（Rigorous Coupled Wave Analysis,RCWA）方法[30,32,33],RCWA已被廣泛用于求解周期結(jié)構(gòu)的電磁場，通過引入完美匹配吸收層，并構(gòu)造虛擬周期，可將RCWA算法用于求解非周期結(jié)構(gòu)的電磁場，相應(yīng)算法也稱為非周期傅立葉模式法（aperiodicFourier Modal Method,a-FMM).對于圖2(a）所示的金納米偶極天線輻射問題，圖2(b）給出了歸一化總輻射速率Γtot/Γair隨天線臂長度L變化的曲線，不同曲線分別對應(yīng)天線間隙尺寸取w=100,80,60,40,20,10nm．其中，豎直紫色虛線給出了滿足諧振條件[25]的極大值對應(yīng)的L，依次為A1(60nm）、A2(160nm）、A3(260nm）、A4(360nm）；豎直綠色虛線給出了滿足反諧振條件[25]的極小值對應(yīng)的L，依次為B1(25nm）、B2(110nm）、B3(210nm）、B4(310nm）；豎直黑色虛線給出了介于諧振和反諧振的中間狀態(tài)的L，依次為C1(40nm）、C2(90nm）、C3(185nm）、C4(223nm）、C5(290nm）．圖2(b）中Γtot/Γair遠(yuǎn)大于1，表明金偶極天線能夠極大增強(qiáng)點源的總輻射速率．當(dāng)w取不同數(shù)值時，Γtot/Γair曲線的變化趨勢比較接近，表明w對輻射速率影響較小，L是影響輻射速率的主要因素．圖2(b）中，曲線極大值（A1～A4）對應(yīng)的L滿足諧振條件，曲線極小值（B1～B4）對應(yīng)的L滿足反諧振條件[25]．對于w=10nm的曲線對應(yīng)的A1、A2諧振峰，以及w=20nm的曲線對應(yīng)的A1諧振峰，出現(xiàn)了諧振峰分裂的現(xiàn)象．而對于文獻(xiàn)[25]中圖5(a1)～(c1）給出的金偶極天線總輻射速率隨天線臂長度變化的曲線，其諧振峰沒有出現(xiàn)分裂．文獻(xiàn)[25]與圖2(a）所示偶極天線的區(qū)別是，前者天線位于空氣中，沒有玻璃基底．由此推斷，諧振峰發(fā)生分裂的原因是考慮了玻璃基底．當(dāng)L較短、w較小時，分裂的兩個諧振峰比較尖銳并且距離較遠(yuǎn)，使其能夠分辨．而隨著L和w的增大，分裂的兩個諧振峰線寬增大，并且逐漸靠近，使其逐漸無法分辨．
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]Understanding localized surface plasmon resonance with propagative surface plasmon polaritons in optical nanogap antennas[J]. Hongwei Jia,Fan Yang,Ying Zhong,Haitao Liu. Photonics Research. 2016(06)
[2]納米光學(xué)天線性能研究進(jìn)展[J]. 黃彩進(jìn),陳成,王順文. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展. 2012(06)
[3]基于鏡像法的掃描近場光學(xué)顯微鏡的分辨率分析[J]. 肖新元,鄒文棟,黃長輝. 四川兵工學(xué)報. 2010(05)
[4]掃描近場光學(xué)顯微鏡的光耦合偶極子模型[J]. 吳才章,葉梅,葉虎年. 光子學(xué)報. 2005(10)
碩士論文
[1]掃描近場光學(xué)顯微鏡的搭建與應(yīng)用[D]. 胡睿璇.南京大學(xué) 2018
本文編號：3068840
【文章來源】：光子學(xué)報. 2020,49(05)北大核心
【文章頁數(shù)】：8 頁
【部分圖文】：
硅偶極天線歸一化遠(yuǎn)場輻射速率Γrad/Γrad,0隨探針端面中心x坐標(biāo)的變化曲線
圖1(a）是使用COMSOL軟件，模擬a-SNOM照明模式下，光纖探針掃描金偶極天線結(jié)構(gòu)的示意圖，從上到下：灰色圓柱表示光纖探針，黃色長方體表示金偶極天線，藍(lán)色長方體表示玻璃基底，黑色圓臺表示收集物鏡．取坐標(biāo)原點位于天線間隙中心，設(shè)天線臂長度為L，天線橫截面為邊長40nm的正方形，兩根天線臂之間的納米間隙水平寬度為w，金偶極天線放置在玻璃基底上．如圖1(a）所示，a-SNOM光纖探針位于金偶極天線上方，COMSOL軟件中，將探針針尖處理為高度200nm的圓柱，探針端面通光孔徑為100nm，外層包覆著厚度為100nm的鋁膜，以避免雜散光進(jìn)入探針[26]．設(shè)針尖出射端面中心在y=0、z=40nm的直線上，沿x方向掃描．本文計算取時間因子為exp(-i wt），其中w為入射光角頻率，t為時間．取入射波長λ=633nm，對于該波長，金的折射率為0.18+3.00i，鋁的折射率為1.37+7.62i[27]．玻璃基底、光纖的折射率均為n=1.5．利用COMSOL軟件端口模式分析，計算得到的探針入射基模式在x-y平面內(nèi)的電場分布如圖1(b）所示，從左至右給出了電場x、y、z分量的模|Ex|、|Ey|、|Ez|，圖中虛線為探針通光孔徑、外層鋁膜的邊界．該基模式的等效折射率為neff=0.14+2.45i，為衰減最慢的模式（即模式的等效折射率虛部最�。�
式中，Re[Ex(0,0,0）]是點源位置電場x分量的實部．用點源在空氣自由空間中的輻射速率Γair=ηvack02na/（12π）對Γtot進(jìn)行歸一化，其中k0=2π/λ，na=1是空氣折射率，ηvac表示真空中波阻抗[30]．Γtot/Γair表示輻射速率的增強(qiáng)倍數(shù)，稱為Purcell因子[31]．計算基于嚴(yán)格耦合波分析（Rigorous Coupled Wave Analysis,RCWA）方法[30,32,33],RCWA已被廣泛用于求解周期結(jié)構(gòu)的電磁場，通過引入完美匹配吸收層，并構(gòu)造虛擬周期，可將RCWA算法用于求解非周期結(jié)構(gòu)的電磁場，相應(yīng)算法也稱為非周期傅立葉模式法（aperiodicFourier Modal Method,a-FMM).對于圖2(a）所示的金納米偶極天線輻射問題，圖2(b）給出了歸一化總輻射速率Γtot/Γair隨天線臂長度L變化的曲線，不同曲線分別對應(yīng)天線間隙尺寸取w=100,80,60,40,20,10nm．其中，豎直紫色虛線給出了滿足諧振條件[25]的極大值對應(yīng)的L，依次為A1(60nm）、A2(160nm）、A3(260nm）、A4(360nm）；豎直綠色虛線給出了滿足反諧振條件[25]的極小值對應(yīng)的L，依次為B1(25nm）、B2(110nm）、B3(210nm）、B4(310nm）；豎直黑色虛線給出了介于諧振和反諧振的中間狀態(tài)的L，依次為C1(40nm）、C2(90nm）、C3(185nm）、C4(223nm）、C5(290nm）．圖2(b）中Γtot/Γair遠(yuǎn)大于1，表明金偶極天線能夠極大增強(qiáng)點源的總輻射速率．當(dāng)w取不同數(shù)值時，Γtot/Γair曲線的變化趨勢比較接近，表明w對輻射速率影響較小，L是影響輻射速率的主要因素．圖2(b）中，曲線極大值（A1～A4）對應(yīng)的L滿足諧振條件，曲線極小值（B1～B4）對應(yīng)的L滿足反諧振條件[25]．對于w=10nm的曲線對應(yīng)的A1、A2諧振峰，以及w=20nm的曲線對應(yīng)的A1諧振峰，出現(xiàn)了諧振峰分裂的現(xiàn)象．而對于文獻(xiàn)[25]中圖5(a1)～(c1）給出的金偶極天線總輻射速率隨天線臂長度變化的曲線，其諧振峰沒有出現(xiàn)分裂．文獻(xiàn)[25]與圖2(a）所示偶極天線的區(qū)別是，前者天線位于空氣中，沒有玻璃基底．由此推斷，諧振峰發(fā)生分裂的原因是考慮了玻璃基底．當(dāng)L較短、w較小時，分裂的兩個諧振峰比較尖銳并且距離較遠(yuǎn)，使其能夠分辨．而隨著L和w的增大，分裂的兩個諧振峰線寬增大，并且逐漸靠近，使其逐漸無法分辨．
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]Understanding localized surface plasmon resonance with propagative surface plasmon polaritons in optical nanogap antennas[J]. Hongwei Jia,Fan Yang,Ying Zhong,Haitao Liu. Photonics Research. 2016(06)
[2]納米光學(xué)天線性能研究進(jìn)展[J]. 黃彩進(jìn),陳成,王順文. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展. 2012(06)
[3]基于鏡像法的掃描近場光學(xué)顯微鏡的分辨率分析[J]. 肖新元,鄒文棟,黃長輝. 四川兵工學(xué)報. 2010(05)
[4]掃描近場光學(xué)顯微鏡的光耦合偶極子模型[J]. 吳才章,葉梅,葉虎年. 光子學(xué)報. 2005(10)
碩士論文
[1]掃描近場光學(xué)顯微鏡的搭建與應(yīng)用[D]. 胡睿璇.南京大學(xué) 2018
本文編號：3068840
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