纳米银六角阵列在掺氧氮化硅中的局域表面等离激元共振特性仿真

通过COMSOL Multiphysics 和 Lumerical FDTD solution对不同尺寸纳米银六角阵列在非晶态掺氧氮化硅(a-SiN_x:O)介质中的局域表面等离激元共振(LSPR)特性进行仿真, 计算结果表明半径为25 nm的纳米银六角阵列形成的局域表面等离激元(LSP)与厚度为70 nm的a-SiN_x:O的蓝光发射(460 nm)的共振效果最为显著, 随着纳米银颗粒尺寸的增大其消光共振峰红移. 在460 nm波长激发下半径为25 nm的纳米银阵列在a-SiN_x:O中的极化强度和表面极化电荷的分布模拟证明了该阵列在460 nm激发下形成的LSP为偶极子极化模式, 通过对该尺寸的纳米银阵列的LSP 在a-SiN_x:O中的最强垂直辐射空间计算, 获得了银颗粒上方a-SiN_x:O的最佳厚度为30 nm, 仿真结果对硅基蓝光发射器件(450–460 nm)的设计提供了重要的理论参考.     

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     

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     

超薄金壳包覆NaYF4:Yb,Er@SiO2纳米结构的可控合成与表面增强上转换荧光

利用原位还原法成功制备了尺寸均一、超薄完整金壳包覆的NaYF₄:Yb,Er@SiO₂@Au（NSA）纳米结构,其XRD、TEM、EDX、HRTEM-HAADF、Mapping及吸收光谱表征结果表明,SiO₂壳及纳米金壳的平均厚度分别约为5 nm和2 nm。在980 nm连续激光激发下,系统研究了核壳结构的上转换荧光强度与氯金酸浓度的依赖关系。稳态光谱结果显示,NSA与仅SiO₂包覆样品（NS）相比Er³⁺的红绿荧光强度均增强了~2.8倍。通过分析上转换荧光动力学过程及利用FDTD方法模拟,讨论了表面等离激元增强上转换荧光的机制。     

基于等离激元法布里-珀罗腔折射率测量的实验设计

利用自下而上的纳米加工工艺,制备了一种由银纳米线对和金膜构成的等离激元法布里珀罗(F-P)腔。暗场散射光谱和数值模拟表明,金膜表面传输的表面等离激元经银纳米线对的多次反射下,会在腔内形成驻波现象,并在散射光谱中呈现出多光束干涉调制的光谱线型。利用这一原理设计一个折射率测量实验,通过测量不同浓度甘油溶液的折射率,得到了F-P腔共振波长随溶液折射率增大的线性红移规律。进而通过调谐F-P腔的长度,得到该F-P腔最高的探测灵敏度为555 nm/RIU。     

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.     

采用银纳米圆盘阵列提高LED发光特性的研究

为了提高GaN基蓝光LED的发光效率,设计了在LED有源层上方引入银纳米圆盘阵列的模型。利用时域有限差分方法计算了银纳米圆盘阵列不同结构参数情况下LED有源层自发辐射率的变化情况及光提取效率值。通过对有源区的近场分布和LED远场方向性的分析,理论上解释了利用该金属纳米结构生成的表面等离激元对LED性能增强的影响,利用该模型可使得表面等离激元与有源层有效耦合,从而增强有源层的自发辐射率。此外,银纳米粒子组成的阵列结构所生成的栅格矢量可以补偿表面等离激元的波矢量,从而可将局域化表面等离激元转为辐射性表面等离激元,显著提高LED顶端光提取效率。结果表明,当银纳米圆盘颗粒满足直径为120nm,厚度为30nm时,含该结构的GaN基蓝光LED自发辐射率比普通LED增强了3.6倍。在此基础上,当其按照晶格常数为220nm的三角晶格排列时,顶端光提取效率增强为2.5倍。这些结果为实际的高性能GaN基LED的设计与优化提供了一定的参考。     

电子能量损失谱探测银纳米棒与介质层强耦合的数值模拟

表面等离激元与量子发射体间的强耦合现象通常通过散射、吸收以及荧光等远场光谱探测方法进行研究.利用高度聚焦的电子束,电子能量损失谱能够实现亚纳米尺度的局域探测,可以更加有效地研究强耦合现象.本文在理论上分别模拟了银纳米棒、介质材料以及介质层包裹银纳米棒复合结构的电子能量损失谱.得到了可以与实验结果比拟的银纳米棒表面等离激元的电子能量损失谱.在上述复合结构的电子能量损失谱中观察到了谱峰的拉比劈裂,探究了银纳米棒尺寸对拉比劈裂的影响.分别在红外、可见光波段讨论了介质层的元激发与银纳米棒偶极辐射及高阶非辐射表面等离激元模式间的强耦合现象,从损失谱的空间分布成像角度探讨了强耦合引起的杂化等离激子(plexciton)的形成.本研究对强耦合现象的进一步实验和理论研究具有指导意义.     

介电常数近零模式与表面等离激元模式耦合实现宽带光吸收

介电常数为零或近零模式在微纳结构中提供了一个新的方式调控光与物质的相互作用.本文首先利用金属圆盘阵列结构激发了表面等离激元共振,在共振频率处实现了光的局域效果;然后通过在金属-绝缘体-金属超表面微纳结构中加入掺杂半导体材料,利用上层金属圆盘阵列激发的表面等离激元共振诱导介电常数近零模式的产生,从而使得介电常数近零模式与表面等离激元模式发生耦合,在中红外波段实现了一个470 nm的宽带吸收效果;数值模拟结果显示,在宽带吸收处存在光场的强局域效果.与窄带吸收相比,宽带吸收有更广泛的应用,比如吸收器、传感器、滤波器、微测辐射热计、光电探测器、相干热发射器、太阳能电池、指纹识别和能量收集装置等.     

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。     

局域表面等离激元诱导的三次谐波增强效应

本文研究了二维金三角形纳米颗粒阵列的三次谐波非线性光学效应. 金三 角纳米颗粒阵列是基于微球刻印技术制成. 采用反射式光学系统, 观察到该纳米结构在光谱分辨的飞秒激光照射下产生明显的三次谐波. 研究表明, 当激光抽运频率接近金纳米颗粒的局域表面等离激元共振位置时, 三次谐波信号得到增强; 三次谐波辐射方向满足动量匹配条件. 关键词： 微球刻印 三次谐波产生 表面等离激元     

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     

内嵌矩形腔楔形金属狭缝的增强透射

金属薄膜上亚波长金属狭缝的非共振光增强透射对宽频带光子器件的设计具有重要意义. 为增强金属狭缝的光透射, 设计了内嵌矩形腔楔形金属狭缝阵列, 并用有限元方法研究了该结构的透射特性. 结果表明, 内嵌矩形腔的楔形金属狭缝阵列比无矩形腔的楔形金属狭缝阵列透射率高. 此外, 还研究了矩形腔的结构参数和位置对内嵌矩形腔楔形金属狭缝阵列透射特性的影响. 这些结果将对设计具有更高透射能力的金属狭缝具有一定的指导意义. 关键词： 光异常透射 金属狭缝 表面等离极化激元     

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.     

金薄膜衬底上介质-金属核壳结构的光学力调控

采用时域有限差分法和麦克斯韦应力张量法,系统研究了金薄膜衬底上介质-金属核壳结构所受的光学力.研究结果表明:由于核壳结构与衬底之间强的等离激元模式杂化效应,其所受的光学力相较于单个核壳结构实现了一个数量级的增强;同时,通过改变激发波长,实现了局域电场分布的调控,以此观察到了核壳结构光学力方向的可控反转;进一步,详细分析了核壳结构所受光学力随其到衬底间距、内核介质的尺寸及折射率等的变化关系,以此丰富了光学力大小、方向和峰值波长的调控方法.研究结果可为精确控制颗粒/金属薄膜纳米腔的尺寸提供一种新的途径,并为调控单分子级的光与物质相互作用、研发新型纳米光子器件提供有益参考.     

基于塔姆激元-表面等离极化激元混合模式的单缝加凹槽纳米结构的增强透射

金属单缝纳米结构因为结构简单、易于集成,常用在基于表面等离极化激元(surface plasmon polaritons,SPPs)的纳米结构中构建光源.但是,金属亚波长单缝结构一直存在透射率低的问题,如何提高其透射率一直是研究的重点.为了更好地提高金属亚波长单缝的透射率,本文对之前文献提出的分布式布拉格反射镜(distributed bragg reflector,DBR)和金属银薄膜纳米缝结构进行改进,在金属银薄膜两侧设计凹槽.当TM偏振光由DBR侧入射至DBR-银纳米缝结构时,DBR-银膜界面上和银膜入射侧凹槽一起激发的塔姆激元(Tamm plasmon polaritons,TPPs)和SPPs,以及纳米缝和银膜出射侧凹槽对的SPPs同时激发,利用凹槽激发的SPPs和银膜表面处的TPPs-SPPs混合模式的干涉相长耦合作用,通过塔姆激元的局域场增强效应和两侧凹槽与单纳米缝的干涉相长耦合作用进一步提高了表面等离极化激元模式的激发效率,再加上纳米缝中的类法布里-珀罗腔共振效应,使纳米缝的透射率得到增强.本文采用有限元方法研究了DBR-银纳米缝结构上单纳米缝加凹槽的透射特性.经过一系列参数优化,使DBR-银纳米缝凹槽结构的最大透射率增加到0.22,相对于TiO_2-银纳米缝结构的透射率(0.01)提高了22倍,比文献[23]得到的最大透射率0.166有所提高.研究结果在纳米光源设计、光子集成电路和光学信号传输等相关领域具有一定的应用价值.     

表面等离激元对氮化硅薄膜中Tb3+离子荧光寿命的影响

利用等离子增强化学气相沉积和离子注入方法,制备了铽掺杂的氮化硅薄膜,然后利用磁控溅射和热处理工艺在薄膜上沉积了不同颗粒尺寸的银薄膜来研究表面等离激元共振对铽离子荧光寿命的影响.实验结果表明氮化硅中Tb³⁺离子的光致荧光最强峰在547 nm,而银薄膜的存在会明显降低稀土离子Tb³⁺的荧光寿命,其寿命的改变是由于银薄膜的表面等离激元改变了电磁场的分布,从而影响了系统的局域光模密度(PMD),理论计算的结果也验证了这一点.     

二维电子气等离激元太赫兹波器件

固态等离激元太赫兹波器件正成为微波毫米波电子器件技术和半导体激光器技术向太赫兹波段发展和融合的重要方向之一。本综述介绍AlGaN/GaN异质结高浓度和高迁移率二维电子气中的等离激元调控、激发及其在太赫兹波探测器、调制器和光源中应用的近期研究进展。通过光栅和太赫兹天线实现自由空间太赫兹波与二维电子气等离激元的耦合,通过太赫兹法布里-珀罗谐振腔进一步调制太赫兹波模式,增强太赫兹波与等离激元的耦合强度。在光栅-谐振腔耦合的二维电子气中验证了场效应栅控的等离激元色散关系,实现了等离激元模式与太赫兹波腔模强耦合产生的等离极化激元模式,演示了太赫兹波的调制和发射。在太赫兹天线耦合二维电子气中实现了等离激元共振与非共振的太赫兹波探测,建立了太赫兹场效应混频探测的物理模型,指导了室温高灵敏度自混频探测器的设计与优化。研究表明,基于非共振等离激元激发可发展形成室温高速高灵敏度的太赫兹探测器及其焦平面阵列技术。然而,固态等离激元的高损耗特性仍是制约基于等离激元共振的高效太赫兹光源和调制器的主要瓶颈。未来的研究重点将围绕高品质因子等离激元谐振腔的构筑,包括固态等离激元物理、等离激元谐振腔边界的调控、新型室温高迁移率二维电子材料的运用和高品质太赫兹谐振腔与等离激元器件的集成等。     

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     

银纳米颗粒对聚合物太阳能电池性能的提高

采用水溶性银纳米颗粒附着在反型太阳能电池的电子传输层上,用以提高有机太阳能电池的短路电流。所制备的器件结构为ITO/ZnO/Ag NPs/P3HT(Poly 3-hexylthiophene):PC_[60]BM/MoO₃/Ag。其金属银纳米颗粒的表面等离激元在410 nm处出现了共振吸收峰,半峰全宽约为60 nm。器件的光电流在可见光范围内均有所增加,短路电流相对于标准器件提高了20.2%,光电转化效率相对提高了17.2%。