表面等離激元誘導(dǎo)的金屬納米寬單頻帶和窄多頻帶光透明特征研究.pdf

1、21世紀(jì)新葉，亞波長(zhǎng)表面等離激元學(xué)這門新興學(xué)科掀起了等離激元納米結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域的研究熱潮。相較傳統(tǒng)光學(xué)設(shè)備，等離激元納米結(jié)構(gòu)材料具有體積小、適合集成、能突破光學(xué)衍射極限等優(yōu)點(diǎn)，在太陽(yáng)能，傳感器，濾波器以及光耦合器等領(lǐng)域上有著巨大應(yīng)用前景。
　　本文從等離激元定義的介紹出發(fā)，以表面等離激元共振理論為基礎(chǔ)，剖析等離激元納米結(jié)構(gòu)的奇特光學(xué)特性的內(nèi)在物理機(jī)制，并基于有限時(shí)域差分法，設(shè)計(jì)了納米微孔結(jié)構(gòu)、雙層金屬納米結(jié)構(gòu)以及金屬-介質(zhì)-金屬多層

2、顆粒金屬納米結(jié)構(gòu)這三種不同類型的新型納米結(jié)構(gòu)。通過(guò)結(jié)合局域等離激元和表面等離極化激元的相關(guān)理論，以透反射、電場(chǎng)強(qiáng)度分布特性等為載體，研究了各個(gè)納米結(jié)構(gòu)的新奇光學(xué)現(xiàn)象，得到了寬單頻帶或窄多頻帶的光透特性及其與結(jié)構(gòu)參數(shù)間的關(guān)聯(lián)作用，深入解析了金屬納米結(jié)構(gòu)中各等離激元共振模式的物理機(jī)理。
　　在第二章中，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種在紫外光到紅外光波段具有超完美、寬頻帶的光透射特性的新型金屬納米立方孔結(jié)，通過(guò)調(diào)節(jié)該金屬納米結(jié)構(gòu)中立方孔的邊長(zhǎng)、間距以及

3、填充介質(zhì)等多個(gè)參數(shù)，從而獲得了在紫外到紅外波段高達(dá)99％的寬頻帶超完美光透射。該結(jié)構(gòu)在新型金屬透明電極、太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。
　　在第三章中，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種由六角周期排列的納米立方體和立方孔組成的雙層納米結(jié)構(gòu)。由于納米孔與納米立方體的強(qiáng)烈等離激元耦合作用，這種雙層結(jié)構(gòu)在可見及紅外光波段出現(xiàn)了窄雙頻帶高光透射。兩個(gè)共振模的透射值均大于80%。雙窄頻帶可以通過(guò)改變結(jié)構(gòu)中納米孔和納米立方體的邊長(zhǎng)、周期和高度來(lái)有效調(diào)節(jié)。通

4、過(guò)結(jié)合對(duì)應(yīng)等離激元共振模式的電磁場(chǎng)能量分布模型，我們進(jìn)一步分析了該結(jié)構(gòu)中各透射頻帶的內(nèi)在物理機(jī)制。這種局域窄雙頻帶的復(fù)合等離激元納米結(jié)構(gòu)，可以廣泛應(yīng)用于光學(xué)濾波器和傳感領(lǐng)域。
　　在第四章中，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種由金屬-介質(zhì)-金屬同心圓柱體的納米立方體顆粒陣列和金屬薄層組成的新型結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)在可見光及紅外光范圍內(nèi)展現(xiàn)出了三個(gè)具有高光透射率的透射頻帶來(lái)自納米顆粒的局域表面等離激元，底下金屬層的表面等離極化激元的激發(fā)，以及他們的相互耦合作用

5、。窄三頻帶光學(xué)特性可以通過(guò)內(nèi)外圓柱體的半徑，納米顆粒的排列周期，銀層的厚度以及內(nèi)外層圓柱體間介質(zhì)層的介電常數(shù)有效調(diào)節(jié)。從而有助于多頻帶光濾波器及復(fù)用型傳感的研究。
　　在第五章中，我們?cè)O(shè)計(jì)一種沉積于銀層上的多層納米圓盤結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)有六角周期排列的三層的金屬-介質(zhì)-金屬垂直排列的納米圓盤顆粒與銀薄層組成。在其光譜圖上共有三個(gè)等離激元膜產(chǎn)生，并分別是有等離激元明膜、暗膜以及法諾共振引起的。其中，明膜是由于偶極態(tài)膜對(duì)間的對(duì)稱耦合，使其

6、在光譜上產(chǎn)生寬頻帶。而暗膜則由于偶極矩限制無(wú)法在尺寸小的納米結(jié)構(gòu)中直接受入射光激發(fā)獲得，故只能通過(guò)等離激元雜化理論中納米圓盤間的非對(duì)稱耦合大大減少結(jié)構(gòu)的偶極矩，從而獲得暗膜。由于納米圓盤顆粒對(duì)中一個(gè)圓盤顆粒的位置、尺寸的變化導(dǎo)致結(jié)構(gòu)對(duì)稱性的破壞，導(dǎo)致高級(jí)態(tài)的暗膜耦合明膜，最終導(dǎo)致法諾共振現(xiàn)象。另外，底層金屬銀薄層的表面等離極化激元通過(guò)與納米圓盤顆粒的局域表面等離激元的耦合作用對(duì)這三個(gè)等離激元膜都發(fā)揮著重大作用。就結(jié)果而言，這種納米結(jié)構(gòu)隨