矩形劈裂環(huán)和月牙形金納米結(jié)構(gòu)的表面等離激元Fano共振.pdf

1、矩形劈裂環(huán)和月牙形金納米結(jié)構(gòu)的表面等離激元Fano共振重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文（學(xué)術(shù)學(xué)位）學(xué)生姓名：廖中偉指導(dǎo)教師：王蜀霞教授副導(dǎo)師：黃映洲副教授專業(yè)：凝聚態(tài)物理學(xué)學(xué)科門(mén)類：理學(xué)重慶大學(xué)物理學(xué)院二O一四年四月重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文中文摘要I摘要表面等離激元（SurfacePlasmonPolaritons，SPPs）是在入射光激發(fā)下金屬和介質(zhì)界面處自由電子的集體振蕩與電磁波的耦合模式，其在金屬表面的電磁場(chǎng)能量束縛特性給金屬表面帶來(lái)了巨大的局域

2、電磁場(chǎng)增強(qiáng)。由于這種增強(qiáng)特性和周圍介質(zhì)（折射率）密切相關(guān)，基于表面等離激元的環(huán)境傳感器已被廣泛研究并應(yīng)用于生物化學(xué)領(lǐng)域。提高該類型傳感器的靈敏度和擴(kuò)大其適用范圍是研發(fā)該傳感器的關(guān)鍵問(wèn)題。Fano共振是由于共振散射過(guò)程和其背景的相互干涉而產(chǎn)生的一種非對(duì)稱線型的共振散射現(xiàn)象。表面等離激元的Fano共振是由一個(gè)可被光激發(fā)的亮態(tài)和一個(gè)不可被光直接激發(fā)的暗態(tài)相干疊加構(gòu)成。其Fano共振處的低損耗成為提高表面等離激元傳感器靈敏性的重要途徑。同時(shí)不同

3、形狀的金屬納米結(jié)構(gòu)表面等離激元特性不同，本文通過(guò)有限元方法（FiniteelementmethodFEM），主要研究矩形劈裂環(huán)及月牙形兩種金納米結(jié)構(gòu)。首先，本文從對(duì)稱的金矩形劈裂納米環(huán)陣列開(kāi)始，研究了它的電磁場(chǎng)、表面電荷分布等表面等離激元特性，發(fā)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)對(duì)入射光的電場(chǎng)偏振具有依賴性。在此基礎(chǔ)上，我們研究了電場(chǎng)沿水平方向偏振時(shí)，劈裂寬度對(duì)劈裂納米環(huán)吸收光譜的影響，結(jié)果表明，隨著劈裂寬度的增加，共振峰藍(lán)移，且劈裂寬度越小時(shí)，共振峰隨劈裂寬

4、度的移動(dòng)越明顯，同時(shí)其展寬也越大。接著我們研究了劈裂中心位置上的電場(chǎng)增強(qiáng)、橫臂中心的磁場(chǎng)增強(qiáng)，發(fā)現(xiàn)電磁場(chǎng)增強(qiáng)隨著劈裂寬度的增加其共振峰均藍(lán)移，且在劈裂寬度越小時(shí)有越大的電場(chǎng)增強(qiáng)，最大在劈裂寬度d=5nm時(shí)可以達(dá)到42倍，而磁場(chǎng)的增強(qiáng)由于橫臂長(zhǎng)度不變而基本保持一致。接著我們分析了在固定劈裂寬度d=20nm時(shí)納米結(jié)構(gòu)周圍介質(zhì)的折射率對(duì)其吸收光譜的影響，發(fā)現(xiàn)了其對(duì)折射率的高靈敏度。當(dāng)介質(zhì)折射率n=1.4時(shí)，通過(guò)估算得出品質(zhì)因數(shù)FoM≈9.0，

5、這比一般納米結(jié)構(gòu)的靈敏性都高，可以為近紅外超靈敏探測(cè)器的研究提供依據(jù)。然后，我們固定納米環(huán)的橫臂及縱臂的總長(zhǎng)度及劈裂的寬度，移動(dòng)劈裂的位置，構(gòu)造出一種非對(duì)稱金矩形劈裂納米環(huán)。我們從劈裂環(huán)右半部分的表面等離激元特性及透射光譜的研究出發(fā)，發(fā)現(xiàn)隨著橫臂臂長(zhǎng)的增加，“亮態(tài)”3與高階“亮態(tài)”1均紅移，“暗態(tài)”2由于劈裂納米環(huán)的厚度不變而保持不動(dòng)，當(dāng)“亮態(tài)”3或者高階“亮態(tài)”1與“暗態(tài)”2重疊時(shí)會(huì)出現(xiàn)Fano線型共振峰。接著通過(guò)雜化理論，利用表面電