半壳结构金纳米膜的局域表面等离子体共振效应

采用纳米模版印刷术和化学自组装技术制备了半壳结构的金粒子膜.利用场发射扫描电子显微镜和光谱仪等测试手段对样品的结构和光学性质进行了分析.研究发现，该结构的金膜所具有独特的局域表面等离子体共振效应取决于样品的粒子大小、间距等微观结构，且其峰值吸收波长对其周围环境介质的介电常数变化十分敏感.实验结果表明，粒子排列均匀的亚单层膜结构是控制光学性质稳定的关键. 关键词： 局域表面等离子体共振 半壳结构 纳米模版印刷术     

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。     

表面等离子体激元的若干新应用

表面等离子体激元（SPPs）是在金属和介质界面传播的一种波动模式。本文首先叙述了SPPs的相关特性和激发方式,给出了一种基于表面等离子体激元共振（SPR）场增强原理产生相干极紫外辐射的方法,利用该方法可极大地提高光源的光子流量。分析了SPPs在生物及医疗领域的新应用,并对其在治疗癌症方面的技术原理进行了讨论。介绍了SPPs在新型光源和能源领域的发展和应用情况,综述了SPPs在太阳能电池、光子芯片以及集成电路方面的新工艺和新技术,包括最近几年来所取得的一些重要成果。最后讨论了SPPs在光存储方面的快速发展和巨大贡献。     

基于硅基光子器件的Fano共振研究进展

硅基光子技术的发展为新型微纳光学功能器件和片上系统提供了高可靠、高精度的实现手段.采用硅基光子技术构建的具有连续(准连续)模式微腔与离散模式的微腔耦合产生的Fano共振现象得到了广泛关注.Fano共振光谱在共振波长附近具有不对称且尖锐的谐振峰,传输光的强度在共振波长附近从0突变为1,该机制可显著提高硅基光开关、探测器、...     

基于复合纳米结构的局域表面等离子体光学传感器

局域表面等离子体光学传感器由于其体积小、灵敏度高、免标记等特点成为目前传感器研究热点之一。然而由于银纳米结构的生物兼容性以及氧化问题,成为该传感器发展的瓶颈。提出了利用金／银混合的金属纳米结构克服上述困难,并从有限时域差分数值计算方法入手,设计了银层50nm,金层5nm的六边形分布三角形复合传感结构,并利用纳米球自组装技术实现了该类型传感器。同时,与生物分子蛋白A的结合实验结果表明,该传感器在生物分子溶液浓度213．85nM的条件下仍然具有较高的灵敏度。     

利用表面等离子体共振效应确定金纳米棒的尺寸

金属纳米粒子的尺寸和形状对其物理和化学性质有很大影响,通常利用昂贵的透射电子显微镜和扫描电子显微镜进行其尺寸测量。为了节约测量成本,利用时域有限差分法研究了金纳米棒的尺寸与吸收峰的对应关系得到间接的测量方法。即当金纳米棒的纵横比增大时,横向等离子峰几乎没有变化,纵向等离子峰出现明显的红移,且红移速度随着金纳米棒半径的增大而增大。实际制备了两种不同尺寸的金纳米棒样品,通过理论模拟确定的金纳米棒的尺寸与利用透射电子显微镜测量的金纳米棒的尺寸符合的很好。     

基于DNA自组装的金属纳米结构制备及相关纳米光子学研究

纳米光子学是研究光在纳米尺度下的行为以及光和纳米材料相互作用的一门科学.金属纳米材料凭借其独特的表面等离子体效应,可以在衍射极限以下对光进行传递和聚焦,因而是纳米光子学研究的重点.大量研究表明,通过调控金属纳米材料的形貌和成分可以控制表面等离子体的性质,从而对光进行可控调节.近年来,随着DNA纳米技术的发展,又为纳米光子学的发展带来了新的机遇.首先,人们发现不同的DNA序列可以调控金属纳米颗粒的成长,从而影响金属纳米颗粒的形貌和成分.此外,利用DNA自组装技术,可以将金属纳米颗粒组装成为有序可控的纳米结构.因此,基于DNA的纳米光子学研究近年来发展十分迅速.在此背景下,本文对相关研究进行归纳与总结,以期吸引更多研究人员的关注,推动该领域的进一步发展.本文首先介绍了金属纳米结构基于表面等离体实现突破光学衍射极限的原理,然后按照DNA对金属纳米结构的形貌或成分影响方式的不同分成若干部分,对基于DNA的纳米光子学做了系统的综述,最后展望了未来可能的发展方向.     

十字形银纳米结构的表面等离子体光子学性质

本文应用离散偶极子近似方法计算了十字形银纳米结构的消光光谱及其近场电场强度分布. 研究表明相比于单根纳米棒, 十字形纳米结构能够提供更强的表面电场; 由于相邻凸起间的电场耦合作用, 当入射光的偏振方向改变时, 在十字形纳米结构的侧表面总能激发出较强的电场.另外, 本文还系统地研究了十字形纳米结构的形貌参数对其表面等离子体共振峰的影响. 这些结果将会指导十字形纳米结构的制备, 以满足其在表面增强拉曼散射中的应用.     

基于半圆形与矩形谐振腔耦合结构的Fano共振

设计了一种基于金属-介质-金属波导的半圆形谐振腔与矩形谐振腔的耦合结构,采用有限元方法研究了该结构的传播特性.结果表明:透射光谱中产生一个类似Fano共振线型的共振谷,该Fano共振由半圆形谐振腔的宽谱共振和矩形谐振腔的窄谱共振相互耦合所导致.变化谐振腔的结构参量,发现该Fano共振谷位置依赖于矩形谐振腔的几何参量,而对两谐振腔相对位置的微小移动不敏感;同时,改变两谐振腔的并联方式,研究了两种衍生结构的传播特性,发现这些结构均可产生明显的Fano共振.此外,通过在谐振腔中填充不同折射率的介质材料,研究了三种结构基于Fano共振效应的折射率传感特性,其折射率敏感度最高达到750 nm/RIU.研究结果可为未来芯片上基于表面等离极化激元波导的高灵敏折射率传感器的设计提供理论依据.     

基于局域表面等离子体共振效应的聚合物波导传感器特性研究

以SU-8光刻胶作为波导芯层材料,设计了基于金纳米粒子的局域表面等离子体共振(LSPR)波导传感器。根据Mie理论,建立了金纳米粒子的消光模型,理论分析了纳米粒子半径、待测物折射率等因素对局域表面等离子体共振曲线的影响。分析表明:当待测液体折射率增大时,LSPR共振峰的位置发生红移。随着金纳米粒子半径的逐渐增大,传感器灵敏度增加。共振吸收峰逐渐由单峰变为双峰,其中一个峰位于520 nm波长附近,主要由表面等离子体吸收造成;另一个峰随金纳米粒子半径的增大而逐渐红移,主要由表面等离子体散射造成。     

Fano resonance in novel plasmonic nanostructures

Recently, a large number of experimental and theoretical works have revealed a variety of plasmonic nanostructures with the capabilities of Fano resonance (FR) generation. Among these structures, plasmonic oligomers consisting of packed metallic nanoelements with certain configurations have been of significant interest. Oligomers can exhibit FR independently of the polarization direction based on dipole–dipole antiparallel modes without the need to excite challenging high‐order modes. The purpose of this review article is to provide an overview of recent achievements on FR of plasmonic nanostructures in recent years. Meanwhile, more attention is given to the optical properties of plasmonic oligomers due to the high potential of such structures in optical spectra engineering.     

Submicron resolution carrier lifetime analysis in silicon with Fano resonances

Defect rich regions in multicrystalline silicon are investigated by Raman spectroscopy at high and low injection levels. By analyzing the Fano type asymmetry and the spectral position of the first order Raman peak crucial properties such as recombination lifetime, doping density and stress can be extracted simultaneously. Due to the small wavelength of the excitation laser the spatial resolution of these measurements is significantly below 1 µm, which gives new insight into the impact of defects on the carrier recombination lifetime. The results are evaluated by comparing them to micro‐photoluminescence and synchrotron X‐ray fluorescence measurements. (© 2010 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

Dark and bright mode hybridization: From electric to magnetic Fano resonances

The excitation of plasmonic Fano resonances leads to a dual advantage in nano-photonics, in terms of local field enhancement and far-field spectral selectivity. Nevertheless, a remarkable challenge related to the hybridization between bright and dark plasmonic modes, i.e. between the two elements cooperating to the Fano resonance generation, consists in the sub-wavelength activation of dark modes via near-field channel. In this regard, strongly coupled plasmonic nano-assemblies are ideal systems providing a highly efficient way towards their excitation. Here, we analyze two trimer nano-architectures supporting respectively electric and magnetic Fano resonances. The different approaches employed for describing the two systems highlighted the role that the near-field coupling and the LSPs de-phasing separately play in the Fano hybridization phenomena.     

Optical Chirality from Dark‐Field Illumination of Planar Plasmonic Nanostructures

Dark‐field illumination is shown to make planar chiral nanoparticle arrangements exhibit circular dichroism in extinction, analogous to true chiral scatterers. Single oligomers, consisting rotationally symmetric arrangements of gold nanorods, are experimentally observed to exhibit circular dichrosim at their maximum scattering with strong agreement to numerical simulation. A dipole model is developed to show that this effect is caused by a difference in the projection of a nanorod onto the handed orientation of electric fields created by a circularly polarized dark‐field normally incident on a glass‐air interface. Owing to this geometric origin, the wavelength of the peak chiral response is experimentally shown to shift depending on the separation between nanoparticles. All presented oligomers have physical dimensions less than the operating wavelength, and the applicable extension to closely packed planar arrays of oligomers is demonstrated to amplify the magnitude of circular dichroism. This realization of strong chirality in these oligomers demonstrates a new path to engineer optical chirality from planar devices using dark‐field illumination.     

基于眼型谐振腔的Fano谐振曲线尖锐度的分析

为了获得较大的尖锐度,提升微环传感器的灵敏度,提出利用眼型谐振腔结构在下路端输出的非对称Fano谐振光谱,眼型谐振腔由一个外环和内环构成,外环与总线波导耦合,内环与外环耦合.利用传输矩阵法对下路端输出光谱进行了数值计算,在不同剩余电场比例系数下,发现非对称Fano谐振峰的尖锐度随电场剩余比例系数的增大而增大;改变外环与总线波导间的场强耦合系数和内环与外环之间的场强耦合系数,其尖锐度的最大值随外环和内环场强耦合系数变化缓慢增大,尖锐度最大值处谐振点传输系数值在不同电场剩余比例系数和内外环场强耦合系数下稳定在-6dB附近.因此利用眼型谐振腔结构下路端的Fano谐振峰,可获得对耦合系数不敏感的尖锐度和谐振点传输系数,降低器件对耦合区加工准确度的要求.     

Temperature Dependence of Abnormal Fano Resonance in Photon-Assisted Transport Through a Side-Coupled Quantum Dot

We investigate transport through a perfect quantum wire with a side-coupled quantum dot under an ac field. Time-averaged complex conductance is formulated by using the nonequilibrium Green function (NGF) method. We find that the electron-photon interaction together with the quantum interference of electron wave function can lead to anti-resonance in the conductance, which is then useful for tuning coherence and phases of electrons. Meanwhile, we study the temperature dependence of the conductance. Interestingly, a peak-structure can be developed at the Fano resonance levels with increasing temperatures.     

亚波长介质光栅/MDM波导/周期性光子晶体中双重Fano共振的形成及演变规律分析

基于衍射原理和模耦合理论,提出了一种由亚波长介质光栅/金属-电介质-金属(metal-dielectric-metal,MDM)波导/周期性光子晶体组成的复合微纳结构.结合反射角谱深入分析了表面等离子激元的传输特性以及在固定波长下不同入射角时刻形成的双重Fano共振的产生机理.研究表明,双重Fano共振是由在亚波长介质光栅/MDM波导结合的上层结构中产生的独立可调的双离散态分别与在周期性光子晶体中形成的连续态相互耦合形成的.接着定量讨论了结构参数对双重Fano特性的影响,探究了双重Fano共振的演变规律.结果表明,改变结构参数可实现双Fano共振曲线和谐振角度之间的调谐,且在最优条件下,共振A区FR a和FR b的品质因数(figure of merit,FOM)可高达460.0和4.00×10~4,共振B区FR a和FR b的FOM值可高达269.2和2.22×10~4.该结构可为基于Fano共振的折射率传感器设计提供有效的理论参考.     

Heat Generation by Electrical Current in Quantum Dot System with Fano Resonance

We study the heat generation in quantum dot system with Fano resonance by nonequilibrium Green's functions method. The Fano resonance influences the heat generation significantly. As ξ increases, the heat generation decreases gradually. From the study of Q-eV curves, we find that the linewidth function Γ has huge influence on the heat generation. The Q-eV curves display obvious steps when the linewidth function Γ is small. However, these steps disappear with Γ increasing. As the source-drain bias eV increases, the Q-eV_g curves also display interesting behaviors.     

基于耦合开口方环共振空腔的可控法诺共振研究

基于表面等离子激元理论与金属-介质-金属波导结构提出一个由开口方环共振空腔、挡板及MIM波导组成的波导结构,并使用有限元方法系统地研究了该结构的透射特性.仿真计算结果表明:该结构可以产生法诺共振现象,其共振波长可以通过改变开口方环空腔的长度及开口大小进行调节,该结构敏感度可达1 600nm/RIU,品质因数为1.31×10~5.此外,通过调整方环共振空腔上开口的位置,在波导中产生了双重法诺共振现象,其敏感度可达1 700nm/RIU,品质因数为8.3×10~4.该结构有望在光学集成回路,尤其是纳米生物传感器方面得到比较广泛的应用.