幾種納米結(jié)構(gòu)表面等離子體激元光頻特性研究.pdf

1、表面等離子體激元是外部電磁場與金屬（或金屬化合物）中自由電子的集體振蕩相互耦合產(chǎn)生的沿金屬/電介質(zhì)界面?zhèn)鞑サ碾姶挪?。在垂直于金?電介質(zhì)界面方向，表面等離子體激元具有隨著離開界面距離呈指數(shù)衰減的隱失場，因而能夠突破傳統(tǒng)光學(xué)的半波長衍射極限，在化學(xué)生物傳感、表面增強拉曼散射、亞波長孔透射增強、納米光刻與光存儲等領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注與應(yīng)用，也為未來實現(xiàn)全光微納集成回路提供了可能。
　　本文的研究以納米尺度“天線-小孔”和“增益介質(zhì)-金

2、屬核殼二聚體”結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，旨在深入理解金屬納米結(jié)構(gòu)中表面等離子體激元的性質(zhì)和作用，為這幾種結(jié)構(gòu)在納米光刻、納米光子學(xué)器件及表面增強拉曼散射中的應(yīng)用研究提供理論基礎(chǔ)。
　　本論文主要分為六個部分。
　　在第一章，首先闡述了表面等離子體激元突破光學(xué)衍射極限的物理原理，介紹了等離子體激元學(xué)的基本概念、發(fā)展歷程及應(yīng)用領(lǐng)域，并提出本論文的研究目的和主要工作內(nèi)容。
　　第二章系統(tǒng)地介紹了本論文所采用的時域有限差分方法，包括時域有限

3、差分方法的物理思想、差分格式、數(shù)值穩(wěn)定性條件、平面波源設(shè)置、吸收邊界設(shè)置以及誤差分析。并給出了時域有限差分方法中金屬Drude模型的參數(shù)設(shè)置。
　　在第三章里，研究了納米天線-電介質(zhì)層-狹縫系統(tǒng)中兩個相互垂直的類法布里-珀羅共振之間的作用以及他們對透射的影響;證明了從可見光到近紅外區(qū)，對不同狹縫結(jié)構(gòu)參數(shù)及電介質(zhì)層厚度，納米天線對狹縫的透射增強作用具有普遍性;并利用金屬-電介質(zhì)-金屬理論推導(dǎo)的表面等離子體極化激元波長的色散關(guān)系驗證了

4、數(shù)值計算結(jié)果，說明用金屬-電介質(zhì)-金屬腔理論可以近似地描述天線-電介質(zhì)層-狹縫結(jié)構(gòu)的透射過程。
　　在第四章，研究了蝴蝶結(jié)孔的透射過程及納米天線對蝴蝶結(jié)孔透射過程的影響。結(jié)果表明:蝴蝶結(jié)孔的局域表面等離子激元共振峰對納米孔結(jié)構(gòu)的局部幾何參數(shù)（如蝴蝶結(jié)孔的張角、間隙尺寸）較敏感，而受輪廓尺寸影響不大。另外，不同縱向?qū)挾鹊奶炀€對蝴蝶結(jié)孔的透射具有開關(guān)效應(yīng)。通過與納米天線對矩形孔的透射影響的對比，揭示了透射增強現(xiàn)象對應(yīng)于天線-電介質(zhì)層-

5、金屬腔內(nèi)的類法布里-珀羅共振，透射截止現(xiàn)象是由于衍射極限效應(yīng)的限制。這一研究對納米光刻應(yīng)用和納米光子學(xué)器件設(shè)計具有重要的意義。
　　在第五章，研究了增益介質(zhì)對納米核殼粒子二聚體的電場能量和粒子間相互作用的影響。結(jié)果表明:由于核區(qū)增益介質(zhì)對金屬殼的局域表面等離子體激元具有補償增益作用，因而導(dǎo)致納米核殼粒子二聚體間隙的電場能量增強。并且消光系數(shù)κ越小，電場能量增強越高。另外當(dāng)兩粒子間距較小時，增益介質(zhì)對兩核殼粒子間耦合作用的增強較明顯