表面等离激元纳米聚焦研究进展

表面等离激元是束缚于金属纳米结构表面的电磁模式,具有突破光学衍射极限和局域场增强等特点.当表面等离激元沿一维锥形纳米结构表面传播时,由于纳米聚焦效应,使得等离激元能量汇聚于锥形结构的纳米尖端,从而在该位置产生巨大的局域场增强.这一现象为电磁场能量在纳米尺度的定向输送提供了十分有效的路径,在分子光谱增强及传感领域得到广泛的应用.本文对近年来表面等离激元纳米聚焦在纳米光子学领域的研究进展进行了综述,并展望了这一领域未来的发展方向.     

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.     

多圆孔周期性银膜阵列结构的光学特性

提出一种多圆孔周期性银膜阵列结构,并利用时域有限差分算法探究该结构的光学特性。计算结果表明,当线性偏振光入射时,该结构表面激发出表面等离激元,且纳米孔间产生了局部表面等离子体共振,使得该结构的异常透射增强。针对这一现象,通过对中心孔与边孔所呈角度、入射光偏振角度、结构参数(中心孔直径、边孔直径、结构厚度、边孔与中心孔的间距)的调控来实现结构光学透射属性的优化。此外,分析所提结构在不同环境折射率条件下透射峰的变化规律,发现该结构也对周围的环境折射率具有较高的敏感度。因此该结构在表面等离激元滤波器和折射率传感器中具有广泛的应用前景。     

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。     

非对称银纳米双环表面等离激元光谱特性

贵金属纳米材料在入射光激发下能够产生表面等离激元,即金属表面自由电子产生集体振荡。当其振荡频率与入射光频率相同时,发生表面等离激元共振,形成一种特殊的电磁场模式和光谱特性。利用该电磁场模式和光谱特性, 能够调节金属纳米材料的光谱学行为,例如通过改变金属纳米结构的大小、形状以及周围介质介电常数等参数, 在微纳尺度上实现光谱学信号的有效调控。目前,除了具有一定对称性的贵金属纳米材料被大量研究和应用外,非对称纳米结构的表面等离激元光谱特性也受到广泛关注。研究表明,在可见-近红外波段光谱范围内设计表面等离激元光电传感器件的关键问题在于,如何有效地调节其消光谱的共振波长、半峰宽以及峰值强度等主要特征参数。提出一种基于银纳米双环组成的非对称结构,利用时域有限差分方法,在可见-近红外波段内,通过分别改变银纳米双环的尺寸、间距及入射光偏振方向等参数,计算了该纳米结构在不同条件下的消光谱。结果表明,在0.4～3 μm的消光谱内,入射光能够激发产生两个独立的表面等离激元共振峰。通过研究峰值波长处的电场分布图发现,上述共振峰分别对应两种不同的电磁场模式。结果还表明,消光谱内两个独立的共振峰可以通过改变该双环结构的不同参数,被分别地进行调节。其中,可以通过改变该双环结构的半径来有效调节短波长峰的共振波长和半峰宽,同时保持长波长峰的共振波长和半峰宽基本不变。此外,通过改变两环间距或入射光偏振方向,可以分别以不同趋势来调节两个共振峰的峰值强度。在提出的非对称银纳米双环的消光谱中,获得了能够被分别调节的两个表面等离激元共振峰,研究结果能够为可见-近红外波段内基于银纳米材料光电传感器件的开发设计提供理论基础。     

基于表面等离激元光镊的新型纳米热源研究

针对纳米尺度热现象研究的需求,基于表面等离激元光镊对金纳米颗粒的动态操控能力,设计了一种实时、动态、可控的纳米热源。利用有限元法对光镊系统中金纳米颗粒的光热效应与表面等离激元电磁场强度的关系进行了模拟,阐明了由于表面等离激元和局域表面等离激元的耦合作用导致的电磁场能量聚集和增强,以及同时实现的金属纳米颗粒的光热效应;分析了在该光镊系统捕获金属颗粒过程中颗粒所产生的热效应,并由此得到了实时控制纳米热源热功率的方法。在理论研究的基础上设计实验并证实了该光镊系统中金纳米颗粒基于光热效应的加热能力。结合表面等离激元光镊系统对纳米热源的精确定位操控能力,该系统为纳米尺度热现象的研究提供了灵活而可靠的手段。     

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.     

表面等离激元耦合体系及其光谱增强应用

当入射电磁波频率与金属微纳米结构中自由电子的集体振荡频率相当时,金属微纳米结构中激发表面等离激元共振,其共振电磁场被强束缚在亚波长尺度以下界面附近,使其具备极大的电磁场局域能力.这一效应可以极大程度地增强电磁波与物质的相互作用,在金属表面等离激元耦合体系中尤为明显.本文简述了表面等离激元耦合效应、模式耦合理论以及对应的结构耦合体系.另外,还介绍了一类典型耦合体系在光谱增强中的重要应用,主要包括增强折射率传感、表面增强红外吸收、表面增强拉曼散射、表面增强光学非线性效应等.     

分级结构对纳米多孔金属表面增强拉曼散射特性的调控

在单级纳米多孔金属韧带上构建次级介孔,获得具有高密度"热点"的分级纳米多孔结构材料。采用时域有限差分法模拟得到分级纳米多孔结构局域电磁场强度及分布,借助拉曼光谱技术对脱合金所得分级纳米多孔金属的SERS特性进行检测。由实验和模拟结果可见,分级纳米多孔金属结构局域电磁场强度及"热点"密度均高于单级纳米多孔金属结构,表现出更好的表面增强拉曼散射特性,分级纳米多孔金和分级纳米多孔铜对结晶紫分子的检测极限均可达到10~(-11)mol·L~(-1),SERS增强因子相对于单级纳米多孔金属提高了两个数量级。次级结构的引入,可极大提高单级纳米多孔结构表面局域电磁场强度,为制备高性能SERS基底提供了新的方法。     

SiO_2/Ag等离激元纳米流体的温升特性

等离激元纳米结构具有很强的光子散射和吸收性能,本文应用等离激元效应强化光热转换特性。以基于SiO_2/Ag核壳结构的等离激元纳米流体为研究对象,采用时域有限差分(FDTD)方法模拟SiO_2/Ag等离激元纳米流体的光学吸收性能。由于等离激元共振效应的激发,纳米粒子周围的电场强度和能量密度显著增强。随着纳米粒子粒径增加,吸收强度降低,吸收光谱逐渐向长波方向扩展。根据能量平衡方程计算不同纳米流体内部的温升特性。对于体积浓度0.005,粒子粒径20 nm,壳层厚度为5 nm的纳米流体,平均温升为35.7 K。随着粒径增加,纳米流体内部温升逐渐降低。     

表面等离子体激元纳米集成光子器件

纳米集成光子学的核心关键技术之一在于新型高效纳米光耦合器、纳米光波导等纳米光子器件的设计与制备.表面等离子体激元（SPPs）是由外部电磁场与金属表面自由电子相互作用形成的一种相干共振,除具有巨大的局部场增强效应外,还具有将激发电磁场能量限制在纳米尺度范围的特点.基于SPPs的各种纳米光子器件被誉为当今最有希望的纳米全光集成回路的基础,成为目前国际上的一个研究热点.文章对基于SPPs的纳米集成光子器件的最新研究进展和研究成果进行评述。     

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.     

手性等离激元纳米晶制备技术的研究进展

生命体中大部分生物分子都具有手性。生物分子的手性构象与等离激元纳米晶的局域表面等离激元共振(LSPR)通过偶极子-偶极子耦合作用,在其LSPR的位置会诱导出一个新的圆二色吸收光谱,具有这种光学活性的等离激元纳米晶称为手性等离激元纳米晶。手性等离激元纳米晶的光学响应信号的稳定性和可重复性都比较高,广泛应用在生物传感、化学传感、圆偏振器、光催化、癌症治疗等领域。手性等离激元纳米晶的制备技术一直是该领域的研究热点。然而,通过将手性分子直接吸附在等离激元纳米晶表面的方式所诱导的手性光学响应信号非常弱,故本综述聚焦于手性等离激元纳米晶的其他制备技术,包括通过手性分子或者软模板组装技术获得手性等离激元超结构;湿化学法将手性分子嵌入到单个纳米晶当中制备出核-壳型手性等离激元纳米晶,或者将手性分子的手性构象传递到无机纳米材料的结构当中制备出单个螺旋型手性等离激元纳米晶等。基于目前对手性等离激元纳米晶的最新研究进展,对其纳米制备技术作了进一步的总结和展望。     

表面等离子体激元在涂覆石墨烯的领结型纳米线光波导中的传输特性研究

本文设计并研究了一种关于介质板对称的涂覆石墨烯的领结型纳米线波导结构,利用有限元法(FEM)对波导所支持的表面等离子体激元的传输特性进行研究。通过调整结构的几何参数和电磁参数研究了表面等离激元模式的有效折射率、模式传播长度、归一化模式面积、品质因数以及模式的场分布特性。研究发现,该结构对电磁场模式具有良好的模式束缚特性,传播长度大于2μm,归一化的模式面积接近10-5的量级,并且具有较高的品质因数。这种结构在未来微纳光电器件领域实现超紧密光学集成中具有潜在的应用前景。     

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.     

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。     

基于表面等离激元谐振腔的窄谱增强传感器

表面等离激元是一种局域在金属和介质之间的电磁波,与金属表面自由电子的集体振荡有关,具有高度局域和近场增强的特性。为此,利用表面等离激元谐振腔对红外窄谱增强成像设备进行设计,单个纳米等离激元谐振腔由两片金属银层构成。模拟结果表明,该纳米等离激元谐振腔在红外波段起到窄谱吸收的作用,在纳米等离激元谐振腔中,吸收波段得到较大的电场增强,并且可以同时屏蔽不需要的波段。这种窄谱的CCD(Charge Coupled Device)有望应用在高分辨成像和日用红外CCD等领域,并且该设计展示出利用硅半导体CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)平台制作波长约为800 nm的近红外CCD的商业应用价值。     

双金属纳米天线在少周期激光中的宽带超快电磁响应

研究了耦合的核壳双金属纳米粒子天线的光场增强与超快时域响应. 在少周期激光的应用中, 如表面等离激元金属纳米器件中的超快响应探测元件, 这种双金属天线展示了超宽带共振频谱及控制局域表面等离激元增强的能力. 研究了二聚体、三聚体以及七聚体, 并且发现三聚体Ag/Au核壳结构显现了极高的场增强能力, 其场振幅增强因子超过了120, 并在5 fs的时间内场振幅迅速衰减为30, 保持了超快的光学响应特性. 利用该结构的表面等离激元增强效应产生高次谐波, 对于产生超快阿秒脉冲有着潜在的重要应用价值. 关键词： 纳米光学天线 双金属球壳结构 少周期激光脉冲 表面等离激元