低維金屬結(jié)構(gòu)表面等離激元光子學(xué)特性及其傳感應(yīng)用.pdf

1、得益于表面等離激元獨(dú)特的性質(zhì)，低維金屬納米材料可以在深亞波長尺度上實(shí)現(xiàn)對(duì)光的約束與操縱，從而吸引了來自物理、化學(xué)以及生物等科研領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。其中，金屬納米線和納米顆粒作為典型的一維與零維金屬納米結(jié)構(gòu)，因其獨(dú)特的光子學(xué)特性，在超緊湊全光回路、激光技術(shù)、生物化學(xué)傳感、非線性光學(xué)以及量子光學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
　　金屬納米線具有體表面積大、倏逝場強(qiáng)、機(jī)械強(qiáng)度高、光場束縛能力強(qiáng)與傳輸損耗相對(duì)較低等特點(diǎn)，是組成傳導(dǎo)型表面等離激元器

2、件的基本單元。然而目前對(duì)于金屬納米線光子學(xué)特性的理論研究仍然不夠全面。例如:受襯底支撐的金屬納米線的導(dǎo)波特性沒有得到系統(tǒng)的研究，金屬納米線在液體環(huán)境中的傳感特性也有待更加深入的討論。
　　金屬納米顆粒能在三個(gè)維度上都實(shí)現(xiàn)對(duì)光場的深亞波長約束，并伴有顯著的局域場增強(qiáng)，是典型的基于局域型表面等離激元的零維結(jié)構(gòu)。然而由于輻射與非輻射損耗，其表面等離激元共振的線寬通常較寬，壽命通常較短，能實(shí)現(xiàn)的局域光場能量增強(qiáng)也受到了限制，影響了其在生化

3、傳感等諸多領(lǐng)域的應(yīng)用。如何獲得更窄的表面等離激元共振線寬，是目前表面等離激元研究領(lǐng)域的一個(gè)重要問題。
　　在上述背景下，本論文基于金屬納米線和納米顆粒這兩種典型的低維金屬納米結(jié)構(gòu)，對(duì)其光子學(xué)特性及其傳感應(yīng)用進(jìn)行了研究，主要工作分為以下幾個(gè)部分:
　　第一章主要介紹了傳導(dǎo)型與局域型表面等離激元的原理，金屬納米線和納米顆粒的研究背景以及典型的應(yīng)用。
　　在第二章中，基于數(shù)值模擬的方法，對(duì)低維金屬結(jié)構(gòu)表面等離激元光子學(xué)特性以

4、及傳感應(yīng)用進(jìn)行了理論研究:(1)通過數(shù)值計(jì)算，分析了金屬納米顆粒的模場分布與遠(yuǎn)場光譜特性，并對(duì)表面等離激元共振的線寬、壽命、Q因子以及傳感靈敏度與FOM等進(jìn)行了討論。研究的結(jié)果為后續(xù)金納米棒的實(shí)驗(yàn)部分提供了理論基礎(chǔ);(2)系統(tǒng)地研究并得到了置于介質(zhì)襯底上的金屬納米線的光子學(xué)特性，包括傳播常數(shù)、能量分布、有效模場面積、傳播長度以及傳輸損耗。與懸空的金屬納米線相比，受襯底支撐的金屬納米線可以同時(shí)提供更強(qiáng)的光場約束與相對(duì)較大的傳播長度。此外，

5、我們還分析了金屬納米線-襯底系統(tǒng)中幾何尺寸、襯底折射率等因素與其光子學(xué)特性之間的關(guān)系。研究的結(jié)果對(duì)基于金屬納米線等一維表面等離激元波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用具有重要的參考價(jià)值，為基于介質(zhì)襯底加載型表面等離激元波導(dǎo)的光子學(xué)器件的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ);(3)提出并在理論上演示了一種液體環(huán)境中，基于金納米線的超小尺寸、高靈敏馬赫曾德相位型折射率傳感，并探討了不同的液體環(huán)境與不同的納米線直徑對(duì)靈敏度、分辨率等傳感性能的影響。結(jié)果表明，對(duì)于直徑為100 nm的

6、金納米線，其靈敏度可高達(dá)5.5π/(μm·RIU)，并可以通過減小納米線直徑的方法進(jìn)一步提高靈敏度。該研究結(jié)果為發(fā)展液體環(huán)境中，基于一維傳導(dǎo)型表面等離激元的小尺寸、超緊湊、高靈敏傳感提供了新的思路。
　　在第三章中，介紹了典型的低維金屬納米結(jié)構(gòu)及實(shí)驗(yàn)相關(guān)材料的制備方法，并介紹了用于研究單個(gè)金屬納米顆粒散射特性的暗場顯微裝置。
　　在第四章中，通過金納米棒與微納光纖回音壁腔的強(qiáng)耦合系統(tǒng)，得到了單模、幾乎無光譜背景且具有極窄線寬

7、的表面等離激元共振。研究結(jié)果表明，當(dāng)微納光纖直徑小于約6μm時(shí)，金納米棒與回音壁腔開始發(fā)生強(qiáng)耦合相互作用，導(dǎo)致其遠(yuǎn)場散射光譜上明顯的模式劈裂與線寬壓縮。當(dāng)微納光纖的直徑為1.46μm時(shí)，在金納米棒的散射光譜上，獲得了單模、線寬僅為2nm的表面等離激元共振峰，其Q值高達(dá)330，且具有約30 dB的消光比。在表面等離激元諧振峰處，相較于單個(gè)沒有耦合的金納米棒，與腔強(qiáng)耦合的金納米棒能夠提供約為30倍的散射增強(qiáng)。此外，還通過鈀包覆的金納米棒與微