数值模拟探针诱导表面等离子体共振耦合纳米光刻

采用有损耗介质和色散介质的二维时域有限差分方法,数值模拟了以光波长514.5nm的p偏振基模高斯光束为入射光源,激发Kretschmann型表面等离子体共振,并通过探针的局域场增强效应实现纳米光刻的新方法——探针诱导表面等离子体共振耦合纳米光刻.分别就探针与记录层的间距以及探针针尖大小,模拟分析了不同情况下探针的局域场增强效应和记录层表面的相对电场强度振幅分布.结果表明,探针工作在接触模式时,探针的局域场增强效应最明显,记录层表面的相对电场强度振幅的对比度最大;当探针针尖距记录层5nm时,针尖下方记录层表面的相对电场强度振幅大于光刻临界值的分布宽度与针尖尺寸相近. 关键词： 纳米光刻 表面等离子体共振 时域有限差分方法     

一种硅基金属狭缝表面等离子体波导的设计

设计了一种适用于光电子集成电路的表面等离子体波导结构.利用三维全矢量时域有限差分法对该波导结构进行了数值模拟,并分析了其在基模传输时的模式场分布与金属结构顶角的关系以及其能量限制性.研究了该波导结构在不同金属材料下的有效折射率和传播长度对芯层宽度的依赖关系,讨论了两个该波导结构之间的耦合长度、最大转移功率和彼此间的串扰.结果表明:光场被高度限制在芯层区域,在金属结构顶角为135°时,其能量限制因子更高;在金属材料确定的情况下,有效折射率随芯层宽度增大而减小,而传播长度增大;在芯层宽度一定的条件下,两个波导结构间的耦合长度随波导间距增大而增大,最大转移功率和串扰随波导间距增大而减小.     

五边形截面的Ag纳米线局域表面等离子体共振模式

五边形截面的单晶Ag纳米线对ZnO量子点荧光具有增强的现象. 为解释这一现象, 利用时域有限差分法对五边形截面的Ag纳米线的局域表面等离子体共振模式进行了理论模拟. 结果表明, 五边形截面的Ag纳米线在紫外区域存在两个消光峰, 分别由Ag纳米线的横向偶极共振(340 nm)和四极共振(375 nm)引起; 这两个消光峰与ZnO量子点荧光增强峰相一致, 而且随着Ag纳米线的半径增大而红移; 消光峰对应的共振模式取决于Ag纳米线的截面形状; 根据Ag纳米线电场增强倍数与激发光波长变化关系曲线可知, 最大增强电场位于五边形截面的顶点处, 而边线处电场增强较小. 理论模拟的结果较好地解释了Ag纳米线/ZnO量子点体系的荧光增强现象, 也为Ag纳米线在提高半导体材料发光效率、生物探测等方面的应用提供有益的参考.     

基于表面等离子体的太赫兹光束方向调控的模拟研究

本文根据锑化铟(InSb)材料在THz波段下复介电常数对温度的响应特性,采用了带有光栅的锑化铟-介质-锑化铟的表面等离子体波导结构,实现了1THz频率光束的准直出射,并能够通过调整结构两侧光栅的温度差来控制出射光束的角度.由时域有限差分方法得到光束偏转角度与温度差之间的关系.理论上利用表面等离子体波导模式的光栅耦合机理解释光束方向改变的原因. 关键词： 表面等离子体 太赫兹 时域有限差分方法 光束方向控制     

各向异性磁化等离子体涂敷三维导体目标FDTD分析

把电流密度卷积-时域有限差分法(JEC-FDTD)推广应用于三维各向异性色散介质——磁化等离子体中，该算法同时解决了电磁波在各向异性和频率色散介质中传播的难题，给出了各向异性磁化等离子体中JEC-FDTD迭代公式.计算了各向异性磁化等离子体涂敷二面角反射器和球锥体后其RCS的变化情况，分析了电子回旋频率对其RCS的影响.计算结果表明磁化等离子体吸收性能更好. 关键词： 时域有限差分方法 各向异性磁化等离子体     

亚波长周期性各向异性金属薄膜的等离子体共振特性

 基于各向异性模型,运用全矢量的3维时域有限差分法（FDTD）,研究了在外磁场作用下,亚波长周期性各向异性金属薄膜的表面等离子体共振机制和特性,即由周期性穿孔形成的局域波导共振和由周期性结构引起的光子晶体共振效应。研究发现:当薄膜厚度一定时,两种等离子体共振模式都会随着外磁场的增大而向短波方向移动;而当外磁场一定、薄膜变厚时,周期结构因素引起的共振传输峰向长波方向转移,波导共振传输峰向短波方向转移;通过调控外加磁场的大小或方向可控制光通过金属薄膜的增强传输效应。     

亚波长周期性各向异性金属薄膜的等离子体共振特性

基于各向异性模型,运用全矢量的3维时域有限差分法（FDTD）,研究了在外磁场作用下,亚波长周期性各向异性金属薄膜的表面等离子体共振机制和特性,即由周期性穿孔形成的局域波导共振和由周期性结构引起的光子晶体共振效应。研究发现:当薄膜厚度一定时,两种等离子体共振模式都会随着外磁场的增大而向短波方向移动;而当外磁场一定、薄膜变厚时,周期结构因素引起的共振传输峰向长波方向转移,波导共振传输峰向短波方向转移;通过调控外加磁场的大小或方向可控制光通过金属薄膜的增强传输效应。     

等离子体环境下孤立导体表面充电时域特性研究

航天器在等离子体环境下的表面充放电受到多种因素影响, 其中充电时间是影响静电放电频次的一个重要因素. 本文从等离子体的微观结构出发, 同时考虑材料参数特性, 在对每个粒子运用力学原理的基础上, 以统计方法 推导出孤立导体球表面充电电位时域表达式. 利用电位时域表达式推导出孤立导体球净电荷量时域表达式及静电场能量时域表达式. 以较低非极地地球轨道和较高地球同步轨道为例对孤立导体球电位、 净电荷量及静电场能量的时域特性进行了讨论, 分析了空间环境参数和导体球半径大小对表面充电的影响, 总结出等离子体环境下孤立导体表面充电时域特性规律. 关键词： 等离子体 孤立导体 表面带电 时域     

基于表面等离子体共振效应的椭圆柱银纳米线的光力研究

运用有限时域差分方法,研究了两椭圆柱银纳米线之间的光力及其物理机制,并且分析了椭圆柱银纳米线的尺寸以及相对位置对光力的影响.结果表明:椭圆柱银纳米线的尺寸以及相对位置等结构参量的变化导致两椭圆柱银纳米线之间光力的明显变化.由于局域耦合共振,Ag纳米颗粒间的内壁上存在电子的振荡行为,将微腔中光子的能量转化成电子集体振荡的动能,这使得微腔中的电磁场能量减小到负能态,从而产生收缩的负光力.因此,Ag纳米颗粒间相互吸引.     

基于表面阻抗边界条件的等离子体薄涂层电磁散射的时域有限差分分析

基于表面阻抗边界条件时域有限差分(FDTD)方法研究了一维斜入射情况下非磁化等离子体薄涂层涂敷金属材料的电磁散射特性, 该方法忽略对薄层背景材料进行网格剖分, 大大减少了计算量. 首先推导了理想导体涂敷等离子体薄涂层的表面阻抗频域表达式, 然后代入边界条件并变换到时域, 再用分段线性递推卷积方法将时域表达式离散得到FDTD迭代式. 编程计算了垂直及斜入射情形下的平行极化和垂直极化反射系数, 通过验证算例与解析解对比, 结果表明该方法的准确性和有效性. 最后利用该方法分析了不同入射角对反射系数的影响.     

Numerical investigation of the enhanced unidirectional surface plasmon polaritons generator

A unidirectional surface plasmon polaritons(SPPs) generator with greatly enhanced generation efficiency is proposed. The SPPs generator consists of an asymmetric single nanoslit coated with a polyviny alcohol(PVA) film and a silver rectangle block. The generation efficiency of this SPPs generator is investigated using the finite difference time domain method. Due to the presence of the silver rectangle block, the SPPs generation efficiency of the asymmetric single nanoslit with PVA film can be greatly enhanced and the corresponding wavelength with the maximum enhancement factor can be tuned flexibly. The influence of the structural parameters on the generation efficiency is also investigated for the enhanced unidirectional SPPs generator.     

椭圆截面金纳米管的局域表面等离激元共振特性研究

基于时域有限差分方法研究了几何形状、入射电场偏振方向、管壁厚度及内核和包埋介质的变化对椭圆截面金纳米管局域表面等离激元共振特性的影响.研究发现,当长轴固定时,短轴的减小将导致纳米管消光峰红移;入射电场偏振方向与椭圆长轴夹角的增大将导致消光峰红移;当颗粒整体尺寸不变时,管壁厚度减小同样会使得消光峰红移.此外,内核及包埋介质介电常数的增大均导致消光峰红移.利用等离激元杂化理论及自由电子和振荡电子竞争机理对上述现象进行了理论分析. 关键词： 消光光谱 局域表面等离激元共振 金纳米管 时域有限差分方法     

提高OLED光导出效率的异形金属光栅的设计与优化

提出一种用于有机电致发光器件(OLED)的双面对称矩形金属光栅电极,采用时域有限差分方法(FDTD)模拟研究了OLED中表面等离子体激元的激发和耦合传输的物理规律和物理机制,详细计算和分析了该光栅结构的周期、槽宽、光栅高度、槽底厚度、入射光的入射角与电极透射效率的关系,并由此优化了结构的几何参数,使金属电极的光导出效率相对于通常的金属银层电极增强了1.77倍,为基于表面等离子体激元的高效光导出器件的优化设计提供了理论依据。     

Improving the performance of a GaAs nanowire photodetector using surface plasmon polaritons

GaAs nanowires (NWs) are ideal materials for preparing near-infrared photodetectors owing to their high charge carrier mobility and direct band gap. Although the performance of GaAs NW photodetectors can be enhanced by surface passivation or doping, it still cannot meet the requirement for applications. In this paper we propose a method to greatly improve the performances of GaAs NW photodetectors by hot-hole injection via surface plasmon polaritons. In this case, the responsivity of a single GaAs NW photodetector is increased by a fact of 3.2 to 6.56 A· W^-1 by attaching capsule-like Au nanoparticles to its surface. This research uses an efficient route to improve the NW photocurrent, which is also important for the development of a high-performance near-infrared NW photodetecor.     

Increased spectral sensitivity of Si photodetector by surface plasmon effect of Ag nanowires

Highly-sensitive Si photodetectors were prepared by using Ag nanowires (AgNWs). A transparent indium-tin-oxide (ITO) coating was coated on a Si substrate followed by spin-coating of AgNWs-containing solution. AgNWs having average length of 5–20 μm with a diameter of about 40–60 nm were observed in FESEM images. The haze effect of AgNWs was totally avoided because of the optimum value of diameter. The transmittance of above 85% was shown by AgNWs over a broad spectral range due to surface plasmon resonance effect. The AgNW-coated device showed an excellent rectifying ratio of 288. Under light illumination, AgNWs-coated device exhibited a significant photoresponse ratio of 5373. This advanced feature of AgNWs-templated method would be applied in broadband wavelength photodetection devices.     

Resonant light absorption and plasmon tunability of lateral triangular Au nanoprisms array

Optical characteristics and electric field distribution of triangular Au nanoprism in a unit and units array under polarized light irradiation were systematically studied by numerical simulation with finite difference time domain method. It is found that the plasmonic properties of the triangular nanoprism are dominated by the electric polarization rather than the wave propagation. The triangular nanoprism presents similar optical response with a strong dipole band under different wave propagations if the electric polarization vectors are parallel to the triangular cross section. The lateral triangular Au nanoprisms array possesses a large tunability of the plasmonic properties contributed from the combined influence of inter-particle distance, particles size, polarization angle and even environmental medium. From the plasmon band shift versus the refractive index, ultra-high local surface plasmon resonance sensitivity (509.96 nm/RIU, figure of $\text{merit}=5.55$) is reached at $\sim 850\text{nm}$, making this array promising for biochemical sensing applications.     

包埋Pt纳米粒子对金属-半导体-金属结构ZnO紫外光电探测器性能的影响

利用射频磁控溅射设备制备ZnO薄膜, 最终制备ZnO/Pt纳米粒子/ZnO 结构的金属-半导体-金属型紫外光电探测器. 研究了Pt纳米粒子处在ZnO薄膜层中的不同深度对金属-半导体-金属型紫外光电探测器响应性能的影响. 结果表明, 探测器的响应度随着Pt纳米粒子在ZnO薄膜层中所处深度的增大而升高. 在60 V偏压下, 包埋Pt最深的探测器在波长365 nm处取得响应度最大值1.4 A·W^-1, 包埋有Pt探测器的响应度最大值为无Pt 纳米粒子探测器响应度最大值的7倍. 结合对ZnO薄膜表面的表征及探测器各项性能的测试, 得出包埋Pt纳米粒子增强器件的响应性能可归因于表面等离子体增强散射.     

Design of terahertz beam splitter based on surface plasmon resonance transition

According to the resonance transition between propagating surface plasmon and localized surface plasmon, we demonstrate a design of beam splitter that can split terahertz wave beams in a relatively broad frequency range. The transmission properties of the beam splitter are analyzed utilizing the finite element method. The resonance transition between two kinds of plasmons can be explained by a model of coherent electron cloud displacement.