利用納米金屬周期結構及金屬顆粒實現(xiàn)局域電場的增強和共振波長的可控.pdf

1、自從上世紀Fano用金屬結構的電磁表面波解釋了Wood異常，Ritchie提出表面等離激元(SPs)的概念，以及Fleischmann發(fā)現(xiàn)了表面增強拉曼散射(SERS)現(xiàn)象，金屬微納結構的光學性質越來越成為研究人員關注的熱點。對金屬微結構光學性質的研究，不僅可以發(fā)現(xiàn)新穎現(xiàn)象，還可以根據具體需要設計微納結構，使其更好地應用于SERS乃至SPs的研究。本文結合SPs的基礎知識，設計并優(yōu)化了能夠應用于SERS的增強基底，并嘗試將其用于物質的痕

2、量檢測和分析。
　　本文主要內容包括：
　　一、設計了矩形凹槽周期陣列金屬增強基底，利用有限元(FEM)、有限時域差分(FDTD)方法模擬計算了其近場電場強度分布，不僅得到了Emax/E0>20的相對電場增強，還發(fā)現(xiàn)結構參數對其SPR共振波長具有很好的調諧作用，其波長調諧范圍可以覆蓋500nm～1000nm。凹槽結構平行于入射光偏振方向周期的增加、長度l及環(huán)境介質折射率的增加，將引起SPR峰的紅移，而凹槽寬度w的增加則引起藍

3、移。利用偶極耦合模型解釋了SPR共振峰的規(guī)律性移動。
　　由于矩形凹槽結構對共振波長良好的選擇性，可將不同長度的凹槽組合起來，作為納米尺寸的顏色分類器件，將不同波長的光同時局域在結構表面不同位置，使它們在空間上分開。我們特別考察了兩個相鄰的不同長度的矩形凹槽。模擬結果表明：隨著凹槽間距的減小，兩者之間耦合將加強，引起其SPR峰位的略微紅移。這與Bethe的微腔耦合理論是一致的。
　　二、實驗方面，我們制備了銀膠和倒金字塔結構

4、增強基底，并對兩種基底的增強性能進行了表征。為了更好地分析計算增強因子，在文中我們利用顯微鏡測量探針分子溶液晾干后在基底表面所留下的近圓形印記尺寸，獲得參與常規(guī)拉曼與SERS的探針分子數目之比Nnormal/NSERS。此方法在實驗中簡單，易于操作。
　　三、為進一步提高增強因子，將倒金字塔結構和銀納米顆粒組合，作為組合SERS基底。相應的實驗研究表明：組合基底的增強因子高于單獨的倒金字塔結構或銀膠，SERS增強因子可提高1～2個

5、數量級。模擬計算揭示了組合基底由二次增強效應所產生的極強的局域場。利用組合基底，我們實現(xiàn)了對一種植物毒素——蓖麻毒素的檢測。
　　針對倒金字塔結構增強基底，我們還模擬計算了其光學性質。結果展示了坑內局域場的分級分布特征，并觀察到在特定的結構參數下，坑口處可出現(xiàn)較大面積的強局域場的情形。倒金字塔結構的周期、坑深度均與坑口大面積局域場的出現(xiàn)有關。這是由表面?zhèn)鞑バ蚐Ps的激發(fā)與坑的駐波效應共同作用的結果。優(yōu)化兩種機制，可以針對特定波長的