银纳米颗粒阵列的表面增强拉曼散射效应研究

利用具有高密度拉曼热点的金属纳米结构作为表面增强拉曼散射(SERS)基底,可以显著增强吸附分子的拉曼信号.本文通过阳极氧化铝模板辅助电化学法沉积制备了高密度银(Ag)纳米颗粒阵列;利用扫描电子显微镜和反射谱表征了样品的结构形貌和表面等离激元特性;用1, 4-苯二硫醇(1, 4-BDT)为拉曼探针分子,研究了Ag纳米颗粒阵列的SERS效应.通过优化沉积时间,制备出高SERS探测灵敏度的Ag纳米颗粒阵列,检测极限可达10~(-13)mol/L;时域有限差分法模拟结果证实了纳米颗粒间存在强的等离激元耦合作用,且发现纳米颗粒底端的局域场增强更大.研究结果表明Ag纳米颗粒阵列可作为高效的SERS基底.     

单层二硫化钼与银纳米颗粒阵列复合结构的表面增强荧光特性研究

本文采用阳极氧化铝模板辅助真空蒸镀技术研究并制备了厘米级、形貌均一、颗粒尺寸可控的银纳米颗粒(AgNPs)阵列,并结合传统的湿法转移技术获得了单层MoS₂/AgNPs阵列复合结构。系统研究了该复合结构的表面增强荧光(SEF)特性,结果表明我们制备的AgNPs阵列可用作高效SEF基底来增强单层MoS₂的荧光性能。且随着温度降低,单层MoS₂的荧光性能得到了进一步提升。本研究为MoS₂在光电集成领域的应用提供了理论和技术基础。     

银/二氧化硅复合材料对硝酸钠红外吸收光谱特性影响

对海洋营养盐进行快速检测是海洋污染监控中的一项重要任务。测量了硝酸钠溶液蒸发过程中的红外光谱,发现表面增强红外光谱法在营养盐的快速检测中有重要的应用价值。采用Stober方法制备了二氧化硅纳米颗粒,然后采用银氨溶液与二氧化硅溶液混合的方法制备银/二氧化硅(Ag/SiO₂)复合材料,并利用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)以及紫外-可见(UV-Visible)吸收光谱对其进行表征。研究了硝酸钠水溶液干燥过程中Ag/SiO₂复合材料对硝酸钠红外吸收光谱的影响,结果表明硝酸根反对称伸缩振动吸收峰的吸收强度得到增强,这可能来自Ag/SiO₂薄膜材料的界面效应。     

金属基底上光学偶极纳米天线的自发辐射宽带增强:表面等离激元直观模型

本文提出一种具有宽波段自发辐射增强性能的金属基底上光学偶极纳米天线,实现的总辐射速率与远场辐射速率增强因子分别达到5454和1041,在近红外波段,自发辐射增强(Purcell因子超过1000)波长范围达到260 nm,并且能够实现远场定向辐射.为了阐明天线性能背后的物理机制,本文考虑天线臂上表面等离激元激发和多重散射的直观物理过程,基于Maxwell方程组第一性原理,建立了一个半解析模型,能够全面复现天线的辐射特性,包括总辐射速率、远场辐射速率、远场辐射方向图等.该模型提供了一个直观的物理图像,即在模型导出的两个相位匹配条件下,表面等离激元在天线臂上形成了一对Fabry-Perot共振获得增强,然后传播到纳米间隙内点辐射源位置和散射到自由空间,由此分别提高了总辐射速率和远场辐射速率.并且,这一对Fabry-Perot共振产生了一对相互靠近的谐振峰,由此形成了宽波段自发辐射增强.本文提出的偶极纳米天线可以应用于荧光增强、拉曼散射增强及高速、高亮度纳米光源等领域,所提出的模型可用于光学天线的物理理解和直观设计.     

银纳米圆盘光天线的远场方向性研究

采用时域有限差分方法计算了银纳米圆盘光天线模型的场分布,研究了光偶极天线的远场辐射特性随距离和厚度、半径变化的规律以及影响其远场方向性的因素.研究发现,偶极子垂直放置在银纳米圆盘下方一定距离时,银盘厚度和半径的改变均可使方向性图中出现新的辐射模式,同时方向性增益得到增强.通过对其近场的观察和分析可以得知,新的辐射模式的产生来源于高阶模式的局域表面等离激元.结果表明,背景材料为GaN时,产生高阶模式局域表面等离激元的合适条件为电偶极子距银盘底部40nm.另外,为了有效地支持高阶模式局域表面等离激元的形成,银盘厚度与半径最小分别为30nm和100nm.本文的研究对掌握纳米银盘结构的光天线特性及其在光器件中的运用有重要意义.     

银纳米圆盘光天线的远场方向性研究

采用时域有限差分方法计算了银纳米圆盘光天线模型的场分布,研究了光偶极天线的远场辐射特性随距离和厚度、半径变化的规律以及影响其远场方向性的因素. 研究发现,偶极子垂直放置在银纳米圆盘下方一定距离时,银盘厚度和半径的改变均可使方向性图中出现新的辐射模式,同时方向性增益得到增强.通过对其近场的观察和分析可以得知,新的辐射模式的产生来源于高阶模式的局域表面等离激元. 结果表明,背景材料为GaN时,产生高阶模式局域表面等离激元的合适条件为电偶极子距银盘底部40 nm. 另外,为了有效地支持高阶模式局域表面等离激元的形成,银盘厚度与半径最小分别为30 nm和100 nm. 本文的研究对掌握纳米银盘结构的光天线特性及其在光器件中的运用有重要意义.     

表面等离激元——机理、应用与展望

等离激元光子学(plasmonics)的研究内容是金属纳米结构独特的光学性质及其应用.随着纳米科技的进步,等离激元光子学已经迅速发展成为一门新兴学科,在生物、化学、能源、信息等领域具有重要的应用前景.文章主要介绍表面等离激元(surface plasmons,SPs)的一些基本物理性质,包括局域的表面等离激元(localized surface plas-mon,LSP)和传导的表面等离激元(propagating surface plasmon polariton,SPP),文章还介绍了表面等离激元的几个重要的应用方向,例如生物/化学传感器、表面等离激元激光、光开关器件以及表面等离激元光逻辑运算,等等.     

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.     

金膜上亚波长小孔阵列表面等离激元颜色滤波器偏振性质

金属薄膜上制备的表面等离激元颜色滤波器具有很强的颜色可调性. 在200 nm厚的金膜上, 通过聚焦离子束刻蚀, 制备一系列周期逐渐变化的圆形、方形、矩形亚波长尺寸小孔方阵列表面等离激元颜色滤波器, 改变入射光的偏振方向, 观察其超透射滤波现象. 研究发现: 对于矩形小孔阵列, 其透射光颜色随入射光偏振方向的变化而改变; 而对于圆形、方形的小孔阵列, 其透射光颜色对入射光的偏振方向并不敏感. 分析表明, 对于金膜上刻蚀的小孔结构, 虽然结构的周期性导致的表面等离激元极化子会对透射光的颜色变化产生一定影响, 但是随小孔形状变化的局域表面等离激元共振才是影响透射光颜色的决定性因素. 如果入射光没有在小孔中激发出局域表面等离激元, 则表面等离激元极化子对透射光的影响也会消失. 根据不同形状小孔周期结构透射光颜色随入射光的偏振变化特点, 制备出了包含两种小孔形状的复合周期结构. 随着入射光偏振方向的改变, 该结构会显示出不同的颜色图案. 关键词： 表面等离激元极化子 局域表面等离激元 颜色滤波器 亚波长小孔阵列     

二维亚波长金属小孔阵列的透射光增强效应

对金属薄膜上的二维亚波长小孔阵列的光透射增强现象进行了数值模拟，结果显示不仅实际金属薄膜上的小孔阵列结构具有透射增强效应，理想导体薄膜的相同结构也具有透射增强效应，但没有实际金属薄膜的增强明显-通过分析指出，这种小孔阵列的光透射增强效应是一种复杂的波导耦合效应-与金属薄膜上的表面电流一样，表面等离激元波具有将入射光能量从金属表面向小孔转移的作用，但不是透射增强的本质原因- 关键词： 表面电流 共振耦合 透射增强 表面等离激元     

金微纳阵列表面等离激元中红外波段光谱特性

表面等离激元是金属表面自由电子在入射光激发下产生的电子集体振荡行为及其相应的电磁场分布。目前，金微纳颗粒表面等离激元除了在可见光波段内被大量研究和应用外，在中红外波段内也显示出独特的光谱特性，具备设计生产优良传感器的潜力，因而同样备受瞩目。研究表明，在中红外波段内设计表面等离激元传感器的关键问题在于如何有效地调节共振谱的共振波长、峰值吸收率以及半峰宽等主要特征参数。相比于单个微纳颗粒而言，阵列结构由于拥有良好的周期性，从而能够在上述参数的宽光谱调节方面具有独特的优势。基于此，提出一种基于金微纳颗粒组成的阵列结构，利用时域有限差分方法，在4～18 μm波段范围内，通过分别改变该阵列的结构参数，包括颗粒半径、高度、间距及颗粒形状等，系统地研究了该微纳阵列结构在中红外波段对入射光的反射光谱、透射光谱和吸收光谱等特性的影响。研究发现，在8～10 μm光谱内，入射光能够与其所激发的金微纳阵列表面等离激元产生共振效应，表现出明显的共振峰特性。可以通过分别改变上述结构参数来有效调节吸收率谱线共振峰的共振波长、峰值吸收率和半峰宽等主要特征参数。研究结果对中红外光谱内基于金微纳阵列结构传感器的科学研究和实际设计具有独特的理论应用价值。     

金属纳米颗粒双圆环阵列的表面格点共振效应

由金属纳米粒子构成的周期性规则阵列,可以通过粒子间的耦合来激发表面格点共振效应,从而极大压缩单粒子的局域表面等离子体共振效应的线宽.本文将该表面格点共振效应从二维周期性结构推广到轴对称的圆环结构中,提出了双圆环金属纳米粒子阵列结构的电磁响应模型.在此基础上,得到了双圆环阵列发生表面格点共振效应的条件,并发现当阵列结构参数满足特定条件时,该阵列的所有偶极子分量会发生集体共振效应,从而获得极高的近场增强因子.     

层级人工等离激元结构增强的太赫兹光电导天线（特邀）（英文）

为提高太赫兹光电导天线输出效率,提出了一种基于层级人工等离激元结构的光电导天线的设计方法。层级人工等离激元结构由纳米尺度金属块阵列和微米尺度周期栅格结合而成,理论与仿真结果表明,前者通过人工局域表面等离激元谐振效应可提高光子-电子转换效率,后者则利用人工表面等离激元结构基模的禁带和高阶模式与电流源模式之间的正交性增强了光电导天线的垂直方向性。集成了层级人工等离激元结构的光电导天线结合了两种结构的优点,数值计算结果表明,其输出效率优于分别采用两种结构的方案。相较于未改进的光电导天线,层级人工等离激元结构在较宽频带范围内（0.86～1.51 THz）实现了光电导天线垂直方向辐射功率密度的提高。     

基于石墨烯加载的不对称纳米天线对的表面等离激元单向耦合器

本文设计并数值研究了一种石墨烯加载的不对称金属纳米天线对结构.利用石墨烯费米能级的动态调控特性,实现了电控表面等离激元的单向传输.类似于传统的三明治型纳米天线结构,设计的不对称金属纳米天线对结构可以等效为两个共振的磁偶极子,由于磁偶极子辐射电磁波的干涉,将导致单向传输效应.通过计算腔中的电场分布,发现石墨烯的调谐能力与石墨烯区域的电场强度成正比关系.以上现象都可以通过等效电路模型进行理论解释.此外,该结构具有小尺寸、高效率、宽带宽和易于光电集成等优点,在未来的光子集成与光电子学领域将具有重要的应用.     

分子激发中的表面等离激元增强效应

金属纳米粒子的表面等离激元增强效应是纳米科学领域的一个研究热点.针对染料分子与金属纳米粒子的耦合系统,应用偶极-偶极近似计算分子与金属纳米粒子的库仑相互作用,并应用密度矩阵理论描述在不同极化方向的电场作用下的电荷输运过程,分析了分子与金属纳米粒子在不同相对位置下分子激发态的动力学过程,发现表面等离激元的增强效应与分子和金属钠米粒子的相对位置以及等离激元的耗散系数有密切关系,详细讨论了分子与金属纳米粒子间的耦合强度、外场的极化方向、等离激元的寿命及共振激发条件对分子激发态及表面等离激元增强的影响,分析了分子-金属纳米粒子耦合系统中表面等离激元增强效应的物理本质.     

利用数值模拟研究表面增强相干反斯托克斯拉曼散射增强基底

为表面增强相干反斯托克斯拉曼散射(surface enhancement coherent anti-Stokes Raman scattering,SECARS)提供具有高增强、稳定性好的等离激元增强基底是十分重要的.本文从实际出发,在理论上设计了一种新的SECARS基底,其可以利用结构自身的杂化共振与额外激发的电荷...     

基于石墨烯/黑磷异质结构的各向异性表面等离激元共振光谱及红外传感特性(特邀)

针对单层黑磷表面等离激元器件存在吸光效率低的难题,提出了一种基于石墨烯/黑磷异质结构的各向异性表面等离激元器件,系统研究了其共振光谱及红外传感特性。所设计的石墨烯/黑磷异质结构和非对称类法珀腔结构能够有效提高器件的吸光效率,通过优化器件中谐振腔的厚度将器件在x和y偏振方向上的吸光效率提高至95.54%和97.44%。此外,通过改变入射光的偏振方向动态调控器件的共振波长,实现了对8 nm厚聚环氧乙烷分子v(COC)_s和r(CH_2)_a振动模式的选择性探测,其最高增强倍数分别为88和155。该各向异性表面等离激元器件具有工作波段可调谐、增强倍数高等优点,在痕量物质分析中具有广阔的应用前景。     

银岛膜表面胸腺嘧啶吸附行为的表面增强拉曼光谱和表面增强红外光谱研究

利用激光刻蚀法制备了具有化学纯净表面的银岛膜,该岛膜有很好的表面增强特性。利用表面增强拉曼光谱和表面增强红外光谱对胸腺嘧啶分子在银岛膜表面的吸附状态进行了对比研究。表面增强拉曼光谱中CN和C—O伸缩振动模式的出现表明胸腺嘧啶分子由原来的酮式结构变成了烯醇式结构;C(4)O伸缩振动谱带明显增强和N(3)的去质子化异构体特征峰的存在证明胸腺嘧啶分子是通过O(8)和N(3)的共同作用倾斜地吸附在银岛膜表面。对10-5 mol.L-1胸腺嘧啶在银岛膜表面上的红外光谱利用欧米采样器进行了反射法测量,发现其红外吸收增强了200倍。红外信号分析的结果支持了胸腺嘧啶分子通过O(8)与银表面发生相互作用的论断,同时也可得出胸腺嘧啶倾斜地吸附在银岛膜表面的结论。     

金属-电介质微盘阵列红外吸收器的光学特性分析

根据亚波长微结构的异常光谱特性,提出了一种"圆形铝盘-圆形SiO_2盘-铝衬底"的二维周期性微结构可调谐红外吸波器.利用有限元算法对其红外光谱反射性质进行了数值模拟,发现该结构对入射的TE或TM光偏振态、在0°~60°大入射角范围内具有良好的吸波效果,共振波长调谐范围4~11μm.用局域等离子体激元共振理论解释了红外吸波机理,证明了所提出的多层微盘结构具有更宽的调谐特性和更好的吸收效率.     

基于电光聚合物的表面等离激元调制器

基于电光聚合物,提出了一种结构简单,尺寸小,效率高的表面等离激元(SPP)调制器.该调制器采用M-Z干涉仪结构的金属波导,金属周围是均匀极化后的电光聚合物,通过在金属波导两臂间加电压对聚合物折射率进行调制,折射率调制再通过M-Z干涉仪结构转化为对金属波导中SPP强度的调制. 通过求解金属波导附近的电场分布,并结合SPP场分布的特点,在理论上说明了这种结构可以通过外加电压有效地调制金属波导输出端SPP的强度,调制所需的半波电压约为2.8V. 关键词： 表面等离激元 电光调制 电光聚合物