發(fā)布時間：2021-06-27 07:54

　　金屬納米結(jié)構(gòu),由于其特有的局域表面等離激元共振（Localized Surface Plasmon Resonance,LSPR）特性,成為近些年來一個重要的研究方向。在特定波長的光照射下,由于LSPR的耦合作用,金屬納米結(jié)構(gòu)的表面或附近會形成一個局域增強的電磁場,同時自由空間中的光被限制在亞波長范圍內(nèi),從而打破傳統(tǒng)的衍射極限限制。尤其是金屬的蝶形納米天線（Bowtie Nanoantenna,BNA）結(jié)構(gòu),其獨特的三角形結(jié)構(gòu)可以在尖端與尖端之間產(chǎn)生有效的共振等離子體耦合,通過改變BNA結(jié)構(gòu)的材質(zhì)、幾何參數(shù)以及介電環(huán)境,可以對其LSPR特性進行有效地調(diào)控,進而在納米間隙區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生巨大的增強電場,其強大的電場增強能力使得BNA結(jié)構(gòu)在光學傳感、納米光源和光電器件等領(lǐng)域中具有潛在的應(yīng)用價值。除了極強的電場增強特性外,與其他納米結(jié)構(gòu)設(shè)計相比BNA結(jié)構(gòu)還表現(xiàn)出優(yōu)異的性能,例如優(yōu)異的方向性、可調(diào)諧的寬帶光譜響應(yīng)、高效的電光驅(qū)動和偏振控制等,從而進一步擴展等離子體BNA結(jié)構(gòu)在納米光子學領(lǐng)域的應(yīng)用。在本文中,通過數(shù)值仿真模擬,理論研究了金屬BNA陣列結(jié)構(gòu)的LSPR特性,及其在表面增強拉曼散射（Surf... 

【文章來源】：中國科學院大學(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所)吉林省

【文章頁數(shù)】：135 頁

【學位級別】：博士

【部分圖文】：

自由電子氣介電函數(shù)（實線）與Au的介質(zhì)數(shù)據(jù)的實際測量值（點）

金屬蝶形納米天線陣列結(jié)構(gòu)的局域表面等離激元共振特性及其應(yīng)用研究6的曲面存在束縛力并作用于表面電子，從而引起表面電子的共振，這使得電場在顆粒內(nèi)、外層近場區(qū)域內(nèi)被顯著放大，故稱之為局域或者短程局域等離激元共振。圖1.2（a）為金屬納米顆粒的LSPR的示意圖，它形象的描述了LSPR的機理[17]。對于有限尺寸的金屬納米顆粒，在入射電磁波的作用下，其自由電子氣將產(chǎn)生集體的震蕩運動并提供一定作用力矩，因而在正離子的牽引下會形成一種局域的等離子體共振狀態(tài)。與傳播的SPP不同，LSPR是局域的共振性質(zhì)，它可以由入射電磁波在納米顆粒或納米結(jié)構(gòu)上的散射直接激發(fā),不需要波矢匹配條件。對于金屬顆粒尺寸處于亞波長范圍，即比周圍介質(zhì)中的光波長小的多時（d，d：顆粒尺寸，λ：光波長），對于金屬顆粒個體或結(jié)果而言，簡諧振蕩電磁場的相位變化可以忽略不計，所以電磁場與金屬顆粒之間的相互作用符合準靜態(tài)近似方法。圖1.2金屬納米顆粒的LSPR：（a）金屬納米顆粒的LSPR的示意圖，（b）靜電場中各向同性的球體的示意圖。Figure1.2LSPRofmetalnanoparticles.(a)SketchofLSPRinmetalnanoparticles.(b)Sketchofahomogeneoussphereplacedintoanelectrostaticfield.（圖注：引用自[17]）下面我們將利用準靜電近似法來研究單個球體的LSPR特性[18]。對于半徑為a的各向同性均勻的球體，當其位于標準靜電場0EEz中時，球體周圍的介質(zhì)具有各向同性，并具有非吸收特性，其介電常數(shù)為m，在遠離球體的位置處電場線的方向平行于z方向。球體的介電函數(shù)為()，如圖1.2（b）所示。在電磁學方法中，求解拉普拉斯方程，電勢20，電場強度E，求解得[19]：(1)0(,)(cos)llllllrArBrP…（1.17）其中θ為P位置矢量r和z軸的夾角（圖1.2（b））?

第1章緒論9Kneipp和Nie等人在粗糙的Ag表面上使單分子的拉曼散射截面上的增強因子高達1014，其中基于“熱點”效應(yīng)導致的高度局域的電磁場貢獻了高達1012的因素，這一有記錄的表面增強拉曼散射的研究也開啟了基于貴金屬粗糙薄膜、納米粒子和納米微腔等SERS研究的熱潮[23,24]。設(shè)計和制備表面結(jié)構(gòu)可控且具有SERS性能最優(yōu)的基底是研究金屬結(jié)構(gòu)中LSPR對表面分子的SERS貢獻的重要方向。2005年，Baumberg等人設(shè)計和制備了具有有納米孔柵格結(jié)構(gòu)的金屬膜平面[25]，如圖1.3所示，其納米柵格結(jié)構(gòu)既可以提供局域等離子體共振，又可以調(diào)節(jié)晶格常數(shù)以滿足相位匹配條件，實現(xiàn)了單分子拉曼散射的極大增強。圖1.3利用納米孔隙金屬膜為基底的SERS：（a）納米孔隙金屬膜的SEM圖，（b）SERS原理示意圖，（c）不同基底的SERS光譜圖。Figure1.3SERSusingnanoporousmetalfilmsassubstrates.(a)SEMimagesofnanoporousmetalfilms.(b)SchematicofSERS.(c)SERSspectrumofdifferentsubstrate.（圖注：引用自[25]）隨著科學家數(shù)年來不斷的探索、創(chuàng)造和優(yōu)化，SERS研究中得到了許多構(gòu)型新穎并具有更多穩(wěn)定“熱點”增強效應(yīng)的納米結(jié)構(gòu)，例如納米立方體，納米花以及納米星等精細結(jié)構(gòu)等。2013年HongxingXu課題組報道了在不同的金屬納米結(jié)構(gòu)中的“熱點”效應(yīng)對等離子體增強SERS的作用，包括耦合金屬納米粒子、納米結(jié)構(gòu)陣列、具有紋理表面的納米/微結(jié)構(gòu)等SERS基底[26]。如圖1.4（a）所示，該課題組報道了金屬納米粒子（MetalNanoparticlesOveraMetalMirror,NOPM）

【參考文獻】：
博士論文
[1]基于表面等離激元的選擇性拉曼增強特性研究[D]. 祁正青.東南大學 2019
[2]人工微結(jié)構(gòu)超材料的光場傳輸與耦合調(diào)控及其應(yīng)用[D]. 楊輝.中國科學院大學(中國科學院上海技術(shù)物理研究所) 2018
[3]金屬微納結(jié)構(gòu)對ZnTe納米線光電特性的調(diào)控研究[D]. 聶奎營.南京大學 2018
[4]微納結(jié)構(gòu)表面等離激元激發(fā)的理論研究及其器件設(shè)計[D]. 商雄軍.湖南大學 2018
[5]金屬—介質(zhì)—金屬復合超表面的制備、模式特性及其熒光輻射調(diào)控研究[D]. 任遠.中國科學技術(shù)大學 2018
[6]幾種典型納米結(jié)構(gòu)的表面增強拉曼與熒光過程的理論研究[D]. 魏勇.燕山大學 2018
[7]基于金屬銀納米結(jié)構(gòu)改善有機太陽能電池光吸收性能的研究[D]. 王文艷.太原理工大學 2017
[8]表面等離激元增強InGaN探測器性能研究[D]. 劉小桐.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所 2017
[9]周期性納米金屬粒子表面等離子體共振的調(diào)控及應(yīng)用[D]. 劉星.中國科學院研究生院(上海應(yīng)用物理研究所) 2017
[10]基于表面等離激元的低損耗半導體納米激光器研究[D]. 于海超.哈爾濱工業(yè)大學 2017



本文編號：3252450