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.     

电子束诱导的纳米颗粒表面等离激元激发模拟

本文基于离散偶极子近似方法,发展出了一套计算任意纳米结构材料的电子能量损失谱的方法和程序. 模拟了在单个银纳米颗粒附近不同入射位置下的电子能量损失谱,其计算结果与实验能谱非常吻合. 虽然离散偶极子近似法早在很多年前就已经被应用到处理外加光场激发的情形,但这套方法才真正提供了一个研究电子束诱导金属纳米颗粒局域表面等离激元激发的计算工具.     

电子束诱导的纳米颗粒表面等离激元激发模拟（英文）

本文基于离散偶极子近似方法,发展出了一套计算任意纳米结构材料的电子能量损失谱的方法和程序.模拟了在单个银纳米颗粒附近不同入射位置下的电子能量损失谱,其计算结果与实验能谱非常吻合.虽然离散偶极子近似法早在很多年前就已经被应用到处理外加光场激发的情形,但这套方法才真正提供了一个研究电子束诱导金属纳米颗粒局域表面等离激元激发的计算工具.     

金纳米柱阵列表面等离子体激元与J-聚集分子强耦合作用

采用脱模工艺制备了表面光滑的金纳米柱阵列结构,这种加工方法操作简单、可重复性强,可以将形貌相同的纳米柱阵列结构大批量复制到不同衬底上.采用这种金纳米柱阵列结构激发表面等离子体激元并实现了其与J-聚集染料分子的强耦合作用.在所制备的杂化耦合体系中,观测到了200 meV的拉比劈裂值.进一步通过调节金纳米柱阵列的周期来改变耦合强度,在反射谱中观测到了强耦合存在的标志性实验证据:耦合杂化态对应能量的反交叉曲线.这种简单并可以大批量制备的强耦合杂化体系对于促进强耦合作用在纳米等离子体器件中的广泛应用具有积极意义.     

基于超表面的Tamm等离激元与激子的强耦合作用

本文研究了由超表面-介质间隔层-分布式布拉格反射器(distributed Bragg reflector, DBR)构成的等离激元微腔结构中的Tamm等离激元及其与激子间的相互作用.利用超表面中的结构参数变化能够调控光在其表面的反射位相这一特性,可以在微腔结构的介质间隔层厚度保持不变时,通过调节超表面的结构参数来调控微腔结构所支持的Tamm等离激元模式的共振位置,从而为Tamm等离激元模式的调控提供更多自由度.相比于传统金属薄膜-介质间隔层-DBR结构,我们发现超表面的引入及其对反射位相的调控可以使超表面-介质间隔层-DBR结构在更小的间隔层厚度下支持共振在相同波长处的Tamm等离激元模式.此外,结合超表面对场的局域特性,可以有效地降低Tamm等离激元模式体积.在此基础上,对比研究了传统的和基于超表面的Tamm等离激元与单层二硫化钨(WS2)的相互作用,发现基于超表面的Tamm等离激元可以产生更强的光子与激子的强耦合作用,获得更大的拉比(Rabi)劈裂.     

内嵌银纳米棒圆形银缝隙结构中的法诺共振现象

应用时域有限差分算法系统地研究了内嵌银纳米棒圆形银缝隙结构的透射特性. 由于倾斜银纳米棒破坏了圆形腔原有的对称稳态磁场分布, 该系统中产生了法诺共振现象. 此外, 透射光谱强烈地依赖于纳米棒的倾斜角度和纳米棒的形貌参数. 这些结果有助于设计复合结构滤波器, 满足特定的滤波需要. 关键词： 表面等离极化激元 法诺共振 时域有限差分算法     

基于气相沉积等离激元纳米粒子/三维石墨烯-镍泡沫复合结构的高灵敏度表面增强拉曼检测

本文提出一种基于气相沉积银纳米粒子和三维石墨烯-镍泡沫的复合等离激元结构.该结构是利用气相纳米团簇束流技术将高密度的银纳米粒子直接沉积于三维石墨烯-镍泡沫的表面制备而成.与传统银纳米结构相比,复合三维等离激元纳米结构具有"热点"数量多,局域场更强的特点,可作为基于表面增强拉曼技术的高灵敏度化学传感器.拉曼测试实验结果表明,该三维纳米结构在表面增强拉曼检测中可获得灵敏度高,重复性好的探针拉曼信号.通过进一步的理论模拟,发现该三维等离激元结构中增强的拉曼信号主要归因于纳米粒子与纳米粒子之间以及纳米粒子与石墨烯-镍泡沫衬底之间的多重近场耦合效应.     

基于气相沉积等离激元纳米粒子/三维石墨烯-镍泡沫复合结构的高灵敏度表面增强拉曼检测（英文）

本文提出一种基于气相沉积银纳米粒子和三维石墨烯-镍泡沫的复合等离激元结构.该结构是利用气相纳米团簇束流技术将高密度的银纳米粒子直接沉积于三维石墨烯-镍泡沫的表面制备而成.与传统银纳米结构相比,复合三维等离激元纳米结构具有"热点"数量多,局域场更强的特点,可作为基于表面增强拉曼技术的高灵敏度化学传感器.拉曼测试实验结果表明,该三维纳米结构在表面增强拉曼检测中可获得灵敏度高,重复性好的探针拉曼信号.通过进一步的理论模拟,发现该三维等离激元结构中增强的拉曼信号主要归因于纳米粒子与纳米粒子之间以及纳米粒子与石墨烯-镍泡沫衬底之间的多重近场耦合效应.     

量子等离激元光子学在若干方向的最新进展

等离激元光子学是围绕表面等离激元的原理和应用的学科,是纳米光学的重要组成部分.表面等离激元的本质是局域在材料界面纳米尺度内的多电子元激发.这一元激发可以与电磁场强烈耦合,使得我们可以通过纳米尺度结构接收,调控和辐射微米尺度光信息,并由此衍生出等离激元光子学的诸多应用.近年来,随着纳米加工尺度逼近量子极限,等离激元的量子特性受到了广泛关注.量子尺度的等离激元承接电子的波动性和光的粒子性,以其独特的內禀属性,在量子信息、高效光电器件、高灵敏探测等方面表现出十分诱人的前景.本综述重点介绍量子等离激元近年来的发展现状,回顾相关理论的发展以及与等离激元量子特性相关的一些突破性成果.最后对量子等离激元未来的发展进行了展望.     

表面等离激元探针的高介电灵敏度与液体折射率测定

利用金纳米棒在光照射下激发表面等离激元的性质,实验研究了其在不同介电环境下的吸收光谱.通过分析纵向等离子体共振吸收峰峰位随介质折射率的变化,获得了金纳米棒表面等离激元探针测量介质折射率的经验公式为n=(385.59)-1(λ/nm-290.56).利用金纳米棒表面等离激元探针的高介电灵敏度,测试了一些未知液体的折射率,并与阿贝折射仪测量法的结果相比较.结果与分析表明,本方法较之阿贝折射仪测量介质折射率的方法具有更高的精密度.因此,表面等离探针可用于拓展大学物理实验中的介质折射率测量实验.     

典型金属纳米结构的电子能量损失谱研究

利用格林函数推导出金属纳米结构电子能量损失谱的计算公式,基于时域有限差分方法对几种典型的结构进行建模仿真,数值模拟运动电荷和结构的距离、液晶环境材料对电子能量损失谱的调节作用.仿真结果表明:当增加电子与纳米结构的距离时,电子能量损失谱谱峰降低;当添加液晶材料或各向同性衬底材料时,电子能量损失谱的峰值发生明显红移,但液晶的光轴倾角改变对峰值的调制作用有限.通过计算电子能量损失谱研究金属纳米结构表面等离子激元共振特性,为高度复杂的等离子体激元纳米结构的设计提供了理论基础.     

用并行扫描方法开展的表面等离激元电子能谱成像

本文报道了高定向热解石墨上银纳米结构表面等离激元的电子能谱成像研究. 本文利用现有扫描探针电子能谱仪的角度色散特性,发展了一种多道测量模式. 通过沿一个方向扫描,可以并行获得银纳米结构表面等离激元电子能谱的二维分布. 实验确定的能谱成像空间分辨为80 nm左右.     

异质结线性吸收谱中的等离激元效应

将染料分子与半导体表面所组成的异质结与金属纳米粒子的耦合系统作为研究对象,考虑分子的振动态,在偶极-偶极近似下研究其线性吸收谱及相关的电荷转移动力学过程. 对金属纳米粒子作用下吸收谱变宽及相关的电子转移增强过程作了仔细的分析和讨论,理论分析了金属钠米粒子的表面等离激元对异质结中超快电子转移的影响. 关键词： 金属纳米粒子 等离激元 异质结电荷转移     

金属-介质-金属渔网超表面结构调控的荧光辐射：空间选择性激发和双增强

增强荧光辐射在生物成像、高灵敏探测、集成光源等方面都具有重要的应用价值.金属纳米颗粒的周围或者金属纳米结构的间隙都可以产生强的电磁场,相应的,这些结构附近的局域态密度也被极大地增强.虽然增强荧光辐射已经在多种金属纳米颗粒和颗粒对中被证明,但是利用金属纳米结构对荧光分子的吸收和辐射过程同时进行调制仍然是一个有挑战的问题.本文研究了金属-介质-金属超表面对荧光辐射的调控,其中局域表面等离激元(LSP)和磁等离激元(MPP)分別与于分子的吸收和辐射过程发中耦合相互作用.对于吸收过程,LSP的耦合作用使得可以通过旋转泵浦激光的偏振态来实现荧光分子的空间选择激发.此外,MPP模式的偏振依赖特性使得矩形渔网结构中的荧光分子的辐射波长和偏振态也受到调控.实验观测结果经过了时域有限差分模拟的验证.本文报道的纳米结构在光辐射器件和纳米尺度集成光源等方面都具有潜在的应用价值.     

金属-介质-金属渔网超表面结构调控的荧光辐射:空间选择性激发和双增强（英文）

增强荧光辐射在生物成像、高灵敏探测、集成光源等方面都具有重要的应用价值.金属纳米颗粒的周围或者金属纳米结构的间隙都可以产生强的电磁场,相应的,这些结构附近的局域态密度也被极大地增强.虽然增强荧光辐射已经在多种金属纳米颗粒和颗粒对中被证明,但是利用金属纳米结构对荧光分子的吸收和辐射过程同时进行调制仍然是一个有挑战的问题.本文研究了金属-介质-金属超表面对荧光辐射的调控,其中局域表面等离激元(LSP)和磁等离激元(MPP)分別与于分子的吸收和辐射过程发中耦合相互作用.对于吸收过程,LSP的耦合作用使得可以通过旋转泵浦激光的偏振态来实现荧光分子的空间选择激发.此外,MPP模式的偏振依赖特性使得矩形渔网结构中的荧光分子的辐射波长和偏振态也受到调控.实验观测结果经过了时域有限差分模拟的验证.本文报道的纳米结构在光辐射器件和纳米尺度集成光源等方面都具有潜在的应用价值.     

局域态密度对表面等离激元特性影响的研究

表面等离激元是一种在金属与介质界面上激发并耦合电荷密度起伏的电磁振荡, 具有近场增强和短波长等特性, 在纳米光子学的研究中扮演重要角色. 将表面等离激元的效应用于单光子源的制备, 不但可以有效减小器件的体积, 而且可以有效提高单光子的辐射和收集效率. 本文根据表面等离激元的珀赛尔系数与光子态密度的关系, 采用局域态密度计算的方法, 分析了不同金属材料的局域态密度及珀赛尔系数的特性. 通过计算比较, 选择银为最佳金属材料, 并在此基础上讨论了探测距离和电介质材料对局域态密度和珀赛尔系数的影响, 为基于表面等离子激元的单光子源制备提供重要参数.     

金纳米棒二聚体结构的Fano共振

等离激元金属纳米结构中的Fano共振，由于其在超灵敏传感、超材料、光开关和非线性光学器件等方面的潜在应用而引起了广泛的关注。但在单颗粒尺度下单个金属纳米二聚体结构的Fano共振的实验研究仍然很少。本研究基于单颗粒光谱技术从实验上探讨了二聚体结构产生的Fano共振现象。利用种子生长法制备了等离激元共振峰分别在1 060 nm和700 nm的一长一短金纳米棒，通过L-半胱氨酸分子的静电吸附自组装构建首尾相连的金纳米棒二聚体结构，在暗场显微系统中表征了金纳米棒二聚体耦合前后的散射光谱。结果表明，短金纳米棒的明偶极模式与长金纳米棒的暗四极模式间的相消干涉在660 nm处产生了明显的Fano共振谷，同时基于有限差分时域（FDTD）方法的理论模拟散射光谱与实验结果能够较好地符合。这种自组装金纳米棒二聚体在等离激元传感和探测等方面具有广阔的应用前景。     

截面形状对快电子激发纳米双线表面等离激元的影响

采用边界元方法研究了快电子在金属纳米双线中激发间隙表面等离激元(SPP)的性质,比较了在不同横截面形状(包括圆形、尖劈形和不规则形状)下电子所激发SPP的不同.研究表明:在以上波导结构中,快电子都能激发具有较长传播距离和较好局域性的低阶单级-单级耦合的间隙等离激元模式;同时通过对波导无量纲价值参数的比较,发现快电子在纳米双线中激发间隙等离激元对双线波导的横截面形状要求不高,横截面形状真正影响的是高阶等离激元模式的激发,而且快电子在截面形状为尖劈的双线波导中能激发局域性更强的间隙SPP.该研究将对实验中利用 关键词： 表面等离激元 间隙模式 金属纳米波导     

基于纳米金属-石墨烯耦合的多频段等离激元诱导透明

提出了基于银纳米棒、银纳米盘和石墨烯耦合的多频段等离激元诱导透明(PIT)电磁模型,通过时域有限差分和辐射双振荡器(RTO)模型从数值计算和理论研究两方面分析了模型的电磁特性.结果表明:由于银纳米棒与银纳米盘、银纳米棒与银纳米棒之间的明模-明模耦合,可以实现在单频段PIT效应的基础之上,进一步产生双频段和三频段的PIT效应.其次,通过改变石墨烯的化学电位势,可以在单频段、双频段和三频段PIT模型中同时实现谐振频率和透射振幅的可调性.当化学势增大时,各频段PIT窗口的谐振频率将会逐渐增大,发生蓝移.此外,随着化学势增加,银盘和银棒表面电荷数会不断增加、表面电场将不断增强.同时,银盘和银棒、银棒和银棒之间的耦合强度也将逐渐增强.因此,各频段PIT的透射振幅将会逐渐减小,振幅调制深度逐渐增大.进一步研究了单频段PIT模型的传感特性,该模型随背景材料折射率变化的灵敏度达到了3906.6 nm/RIU.这为多频带滤波、超灵敏传感器的设计提供了理论参考.     

表面等离激元的聚焦与波导增强

近年来,表面等离激元学（plasmonics）已经形成一个新的学科热点.电子在金属与介质界面的集体振荡行为形成一种元激发——表面等离激元（surface plasomon polariton,SPP）.由于其具有特殊的耦合与传播性质,与SPP相关的器件设计与应用成为目前纳米光子学领域的国际前沿研究方向.文章介绍了利用微...