金纳米棒复合体的消光特性

金属纳米颗粒局域表面等离激元共振时能够产生消光和近场增强效应已经成为国内外研究的热点. 应用时域有限差分法对L形纳米棒与普通纳米棒构成的金纳米棒复合体的消光光谱及其近场增强和电流矢量密度分布进行了研究. 计算结果表明, 普通纳米棒和L形纳米棒二聚体的光谱响应与纳米棒间的间距有关, 而金纳米棒复合体的消光光谱可通过调整L形纳米棒与普通纳米棒间的间距、L形纳米棒的臂长度以及普通纳米棒的长度进行调谐. 此外金纳米棒复合体可以分解成L形纳米棒二聚体和普通纳米棒二聚体两个部分, 通过分别改变L形纳米棒的臂长和普通纳米棒的长度, 对比L形纳米棒二聚体和普通纳米棒二聚体间的共振峰位置变化, 可以更直观地了解金纳米棒复合体消光光谱线型的变化. 这些结果可用于指导金纳米棒复合体纳米光子器件的设计, 以满足其在表面增强拉曼散射和生物传感等方面应用.     

金-银纳米棒异质二聚体的Fano共振及其传感性质研究

本文我们通过有限时域差分法模拟研究了金-银纳米棒异质二聚体的光学等离子体耦合。在消光谱中,发现较短的银纳米棒产生的偶极明模式和较长的金纳米棒产生的四极暗模式产生了干涉相消耦合,从而出现了Fano共振。通过改变金属纳米棒的长度、距离和周围环境可以调控Fano共振的共振波长和强度。金-银纳米棒异质二聚体对周围环境变化具有较高的灵敏度,其品质因数大于8.5。由于金银异质体有比较好的抗腐蚀性和比较低的生物毒性,这使得它有望成为新一代基于表面等离子体Fano共振的生物传感器和分子探测器。     

金属纳米颗粒等离激元共振增强非线性介质谐波的发展现状

随着纳米加工和制备技术的不断发展,金属纳米粒子的等离激元光学特性已得到了广泛的研究与应用。本文基于金属纳米颗粒等离激元共振特性,分析了金属纳米颗粒等离激元共振对介质谐波的增强机制,综述了该增强机制在近几年所取得的最新研究成果及其在生物成像领域的应用。金属纳米颗粒等离激元共振在增强介质非线性特性领域的发展趋势是从简单的金属纳米颗粒向复杂形状纳米颗粒和金属纳米颗粒组装体的发展,这些新型金属纳米颗粒在非线性光学、生物医学上的疾病诊断和治疗有良好的实际应用前景。     

对称纳米棒三聚体结构的Fano共振特性研究

利用时域有限差分方法,理论研究了由中间短棒和两侧长棒构成的对称金纳米棒三聚体结构的光学性质,分析了结构参数和介电环境对其Fano共振特性的影响.结果表明:随着中间短棒长度、三棒整体尺寸或短棒两侧介质折射率的减小,Fano共振谷蓝移;棒间距的增大同样导致Fano共振谷蓝移,但边棒长度的变化对Fano共振谷位的影响较小;同时,随着纳米结构参数或介电环境的变化,Fano共振谷两侧共振峰强度发生改变,共振对比度先增大后减小.通过比较纳米结构截面的电磁场和电流密度矢量分布发现,共振谷两侧光谱强度的变化源于结构参数或介电环境引起的等离激元共振模式的改变.研究结果对基于Fano共振可控的纳米结构设计有一定的参考意义.     

Ag-Al纳米球二聚体的光学性质研究

金属纳米材料因其表面等离子体共振特性而备受关注。异质结构的金属纳米材料的光学特性相比于同质结构因其材料的不同破坏了原有结构的对称性,对称性的破坏将引起光学性质的改变,相邻两个颗粒之间的相互作用会产生Fano共振。Fano共振是由异质纳米结构的表面等离子体共振耦合引起的,通过合理地调控表面等离子体共振的耦合,将进一步调控Fano共振的强度同时促使异质结构的电场增强特性和辐射特性得到进一步优化。受金银等贵金属的带间跃迁影响,金属铝纳米材料成为研究紫外-近紫外光区的表面等离子体共振研究最佳选择。采用有限时域差分方法研究了Ag-Al纳米球二聚体的光学特性。研究了Ag和Al纳米球组成的二聚体的吸收光谱与入射光偏振方向、纳米球半径、颗粒间距和介质折射率等几何结构及物理参数的关系,并深入讨论了二聚体的局域场分布规律;讨论了获取更高效的Fano共振光谱的方法。由于材料的对称性被破坏,异质二聚体的光学性质与同质二聚体明显不同,Ag-Al异质纳米球二聚体呈现出在紫外和可见光区的双Fano共振现象。Ag-Al二聚体表面等离子体互相耦合引起Fano共振从而导致表面等离子体的共振抑制和增强。研究结果对在紫外-可见光区的表面等离子体应用、纳米光学器件的设计与开发及基于表面等离子体共振的表面增强光谱、生物传感和检测研究等有一定参考价值。     

D3h和D4h等离激元超分子的Fano共振光谱的 子集合分解解释

针对D_3h和D_4h对称构型金属纳米多颗粒集合即等离激元超分子表面等离激元共振光谱的子集合分解及其相对应的Fano共振光谱低谷的产生机理, 本文运用群论的方法做出了详细的分析研究. 运用与群论中求解分子简正振动模式类似的方法, 推导证实了在线偏振光入射时, D_nh环形多颗粒只有2个电偶极表面等离激元共振模式, 增加中心颗粒会使模式增加1个. 对D_3h和D_4h等离激元超分子的表面等离激元共振模式进行不可约表示基向量正交分解分析表明, Fano共振光谱低谷是由于两个起主要作用的相邻模式包含有共同的正交基向量, 并形成相消干涉而产生. 这进一步验证了Fano共振光谱低谷的起源除传统观点(即源自于宽频超辐射亮模式和窄频低辐射暗模式之间的耦合)之外的另一种解释视角.     

表面增强光学力与光操纵研究进展

金属纳米结构在光激发下产生的表面等离激元,可导致亚波长光场局域、近场增强等效应,在表面增强光谱、超灵敏传感、微流控芯片、光学力等方面有重要的应用.对于光学力而言,首先,由于表面等离激元共振及其导致的电场增强对于入射波长、几何结构等具有较强的依赖性,而光学力又与电场分布密切相关,所以可利用光镊(会聚光束)来操纵或筛选金属纳米颗粒;其次,入射光激发金属纳米颗粒聚集体后,在间隙形成的较大的近场增强和梯度,也可看作一种"等离激元镊",用于操纵其他颗粒;最后,当入射光的偏振改变甚至为新型光束的情况下,光学操纵将具有更高的自由度.本文首先简要介绍了表面等离激元增强光学力的计算;之后围绕光镊作用于等离激元金属纳米颗粒,等离激元镊作用于其他颗粒,与偏振、新型光场或手性结构相关的等离激元光学力这三个方面,综述了近年来表面等离激元金属纳米颗粒光学力和光操纵的一些新进展;最后提出了表面增强光学力与光操纵的若干研究趋势.     

金纳米颗粒等离激元对不同形貌氧化锌薄膜发光性能的调控

采用化学气相沉积法制备了纳米棒状的氧化锌纳米结构薄膜和没有纳米棒的氧化锌薄膜,通过直流溅射在所制备的有纳米棒和没有纳米棒的氧化锌薄膜上淀积约3 nm厚的金纳米颗粒薄膜,研究了金纳米颗粒对不同表面形貌氧化锌薄膜的发光特性的影响。实验发现金纳米颗粒的存在使具有纳米棒的氧化锌薄膜的紫外发射增强,但使来自缺陷的可见光发射受到很大的抑制。通过比较有纳米棒和没有纳米棒的氧化锌薄膜在镀金纳米颗粒前后的发光特性,发现金表面等离激元对氧化锌发光的调控取决于氧化锌的表面形貌,纳米棒的存在更有利于金纳米颗粒等离激元调控氧化锌的发光特性。     

基于半圆形与矩形谐振腔耦合结构的Fano共振

设计了一种基于金属-介质-金属波导的半圆形谐振腔与矩形谐振腔的耦合结构,采用有限元方法研究了该结构的传播特性.结果表明:透射光谱中产生一个类似Fano共振线型的共振谷,该Fano共振由半圆形谐振腔的宽谱共振和矩形谐振腔的窄谱共振相互耦合所导致.变化谐振腔的结构参量,发现该Fano共振谷位置依赖于矩形谐振腔的几何参量,而对两谐振腔相对位置的微小移动不敏感;同时,改变两谐振腔的并联方式,研究了两种衍生结构的传播特性,发现这些结构均可产生明显的Fano共振.此外,通过在谐振腔中填充不同折射率的介质材料,研究了三种结构基于Fano共振效应的折射率传感特性,其折射率敏感度最高达到750 nm/RIU.研究结果可为未来芯片上基于表面等离极化激元波导的高灵敏折射率传感器的设计提供理论依据.     

激发光的表面等离激元增强效应导致的双光子荧光增强(英文)

理论上研究了吸附在金纳米颗粒表面的CdSe量子点的双光子荧光增强效应。在偶极近似下,全面地考虑了金纳米颗粒的存在造成的表面等离激元共振增强效应和以金纳米颗粒作为受体的非辐射能量转移效应,给出了金纳米颗粒对量子点双光子荧光的增强因子。通过数值模拟,给出了将贵金属纳米颗粒更有效地用于增强双光子荧光的方法,即将贵金属纳米颗粒的表面等离激元共振峰调至激发波长处,尽可能地增大激发光的表面等离激元共振增强效应。上述理论分析结果很好地验证了已经报道的实验结果。     

一种用于传感的多Fano通道高灵敏度MIM波导

提出了一种金属-绝缘体-金属波导结构,该结构由带有中央矩形空气路径的方形环谐振腔和带有挡板的总线波导组成。利用有限元法研究了该结构的磁场分布、透射特性和传感性能。仿真结果表明,谐振腔中的中央矩形空气路径可以改变表面等离极化激元在谐振腔中的传播路径,提供更多的等离子体共振模式。在所提出的结构中可以激发四重Fano共振,透射谱中形成一个滤波带。改变结构参数可以调节Fano共振的个数,最多可以获得6个Fano共振和两个滤波带,还可以对Fano共振的位置、强度以及滤波带的宽度进行灵活方便的调节。该结构的最大灵敏度和品质因数分别为3 028 nm/RIU和157.14,可用于制作多波段带阻滤波器和检测葡萄糖等液体浓度的传感器。     

阴极荧光在表面等离激元研究领域的应用

表面等离激元以其独特的光学性质广泛应用于纳米尺度的局域电磁场增强、超高分辨成像及微弱光电探测.阴极荧光是电子与物质相互作用而产生的光学响应,利用电子束激发金属纳米结构能够实现局域等离激元共振,并在亚波长尺度实现对共振模式的调控,具有超高空间分辨的成像特点.阴极荧光探测通常结合扫描电子显微镜或透射电子显微镜而实现,目前己被应用于表面等离激元的探测及共振模式的分析.本文从阴极荧光物理机理出发,综述了单一金属纳米结构和金属耦合结构的等离激元共振模式阴极荧光研究进展,并总结了阴极荧光与角分辨、时间分辨以及电子能量损失谱等关键技术相结合的应用,进一步分析了其面临的关键问题,最后展望了阴极荧光等离激元研究方向.     

基于单劈裂环-双劈裂盘结构的多重磁Fano共振（英文）

采用有限元方法对单劈裂环-双劈裂盘纳米结构的表面等离激元共振进行了理论研究.当入射光垂直于结构表面时,亮磁模式和暗磁模式相互干涉会产生磁Fano共振.当双劈裂盘、空腔和单劈裂环的间隙同时沿x轴负方向偏移时,可产生高阶磁模式和双重磁Fano共振.在此结构的基础上,进一步调节单劈裂环的间隙宽度,可以在近红外区域增强磁模式的强度,并产生三重磁Fano共振;同样地,通过调节双劈裂盘的上劈裂角,在可见光区域可得到新的高阶磁模式,并产生三重磁Fano共振.此外,该结构的最大灵敏度和磁场增强分别达到1 400nm/RIU和69.7倍.这些光学特性使得该结构在超灵敏度生物传感器和多控磁Fano开关领域具有潜在的应用价值.     

金纳米双球系统的高灵敏光学传感与其消光系数及局域场增强之关联

系统地研究了最基本的单/双金纳米球系统的共振峰移动、局域场增强和消光谱等光学响应行为.发现在双金纳米球系统中,入射光除了能激发每个金纳米球的局域表面等离激元共振模式外,调整金纳米球间隙可使共振模式间产生强烈耦合,使系统局域场增强因子进一步提升,并增强光学传感能力和消光系数.有趣的是,受限于有限的局域场增强体积,具有高局域场增强因子的间隙为2 nm的双金纳米球系统的消光系数大幅降低,其消光系数和光学传感能力均低于5 nm间隙的系统.研究表明,双金纳米球系统的光学传感灵敏度不是由局域场增强幅度直接决定的,而与系统消光系数有相似的变化行为.这些结果可指导金纳米双颗粒和多颗粒系统的设计,为表面拉曼散射增强和光学传感等方面的应用提供创新性思路和方案.     

具有金纳米小球覆盖的超导纳米线条的Ⅰ～Ⅴ特性

我们利用电磁场仿真软件CST分别对单个金纳米小球,单层纳米球和双层纳米球阵列在可见光波段的光吸收特性进行了仿真,所得结果与参考文献中实验数据一致,证明了方法的正确性.在此基础上对仿真结果进行了定性的分析,给出了影响纳米球等离激元谐振波长和吸收效率的因素.最后,我们将金纳米小球应用到超导单光子探测器中,测量了有金纳米颗粒和无金纳米颗粒时超导纳米线临界电流的变化,观察到金纳米颗粒表面等离激元共振引起的临界电流的大幅度变化,结合仿真,对实验测量结果给出了合理的解释.     

金局域表面等离激元增强砷化镓发光特性

研究了金纳米颗粒局域表面等离激元共振耦合效应,并实现了砷化镓薄膜的近场发光增强.通过理论计算金纳米颗粒的吸收光谱及电场分布,分析金属纳米颗粒形貌尺寸的改变对等离激元共振频率调控及局域场增强效果的影响,模拟半径为50nm的金颗粒并实现了35倍近场增强效果.通过对双球型的模拟,分析了一种金纳米颗粒增强GaAs的积极方式,即密集颗粒之间的近场耦合形成的"hotspots".此外,研究了不同溅射时间及快速退火对金纳米颗粒吸收特性的影响,发现金纳米颗粒吸收峰位主要位于560～680nm波段,而且随着溅射时间的增加发生红移现象.经过快速退火处理后,金纳米颗粒吸收峰位蓝移到510～550nm波段,形成与532nm激发波长相匹配的共振吸收峰.最后,实现砷化镓薄膜9.6倍的光致发光增强.     

基于等离激元纳腔的单颗粒稀土掺杂纳米晶上转换发光光谱调控

等离激元纳腔可有效调控稀土掺杂纳米晶的上转换发光特性,其不仅能增强上转换发光强度,还可实现上转换发光光谱的调节.然而,目前利用纳腔进行上转化发光光谱调节的研究主要基于系综实验.相比系综实验,单颗粒实验由于可对同一颗上转换纳米晶进行对比研究,因而能够排除系综样品非均匀性对实验的影响.本文基于原子力显微镜原位纳米操纵技术将单颗粒Yb³⁺/Tm³⁺共掺杂纳米晶与由单根金纳米棒构成的等离激元纳腔进行耦合,实验上对比了同一颗纳米晶与金纳米棒耦合前后上转换发光的光谱、发光寿命和激发功率依赖特性的变化.实验结果与理论上通过结合电磁仿真和速率方程模拟得到的结果相符.研究结果表明,等离激元纳腔调控纳米晶上转换发光光谱是激发场增强效应、Purcell效应和辐射效率变化三方面效应共同作用的结果.     

单层磷化硼纳米结构中的量子等离激元激发

基于含时密度泛函理论(TDDFT)研究了单层磷化硼纳米结构中的等离激元激发。单层磷化硼纳米结构中有两个主要的等离激元共振带,一个等离激元共振带位于能量点3eV附近,另一个等离激元共振带位于能量点9eV附近。单层磷化硼纳米结构在光谱的可见光区存在等离激元共振。单层磷化硼纳米结构的边界构型(锯齿形边界和扶手椅边界)以及沿着激发光的偏振方向的边界宽度对单层磷化硼纳米结构吸收光谱有很大的影响。单层磷化硼纳米结构中等离激元模式是长程电荷转移激发。     

含双挡板金属-电介质-金属波导耦合方形腔的独立调谐双重Fano共振特性

基于表面等离子激元在亚波长结构的传输特性,设计了一种含双挡板金属-电介质-金属波导耦合两个方形腔的结构.由F-P谐振腔产生的宽谱模式与两个方形谐振腔产生的两个窄谱模式发生干涉作用,形成了独立调谐的双重Fano共振,而且可以通过改变两个方形腔的大小及填充介质实现双重Fano共振的独立调谐.基于耦合模理论,定性分析了该结构产生双重Fano共振的机理.利用有限元仿真的方法,定量分析了结构参数对可独立调谐双重Fano共振和折射率传感特性的影响.结果表明,优化参数后该结构的灵敏度分别高达1020和1120 nm/RIU, FOM值分别高达3.59×10~5和1.17×10~6.该结构可为超快光开关、多功能高灵敏度传感器和慢光器件的光学集成提供有效的理论参考.     

侧耦合谐振腔的多重独立可调谐Fano共振传感特性

基于表面等离极化激元在亚波长结构的传输特性,提出了一种含单挡板的金属-介质-金属(MIM)波导耦合双T型谐振腔的结构。在近场耦合作用下,单挡板形成的较宽连续态与单T型腔形成的较窄离散态,经过复杂的干涉相消形成非对称的双重Fano共振峰。基于耦合模理论,研究了单挡板MIM波导耦合单T型腔Fano共振的产生机理,并采用有限元分析法对该结构进行了模拟仿真。在此基础上,研究了含双T型腔结构的四重Fano共振形成过程,分析了上下T型腔结构参数对Fano共振峰的影响。结果表明,上下T型腔产生的Fano共振峰互不影响,且由单个T型腔可以实现两个Fano共振峰独立可调谐,故含金属挡板的MIM波导耦合双T型腔结构可以实现四个Fano共振峰独立可调谐。该结构可为差动传感器和波分复用器的设计提供有效的理论参考。