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(chǎng)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(kāi)界面距離呈指數(shù)衰減的隱失場(chǎng)，因而能夠突破傳統(tǒng)光學(xué)的半波長(zhǎng)衍射極限，在化學(xué)生物傳感、表面增強(qiáng)拉曼散射、亞波長(zhǎng)孔透射增強(qiáng)、納米光刻與光存儲(chǔ)等領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注與應(yīng)用，也為未來(lái)實(shí)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(qiáng)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(gè)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(shí)域有限差分方法，包括時(shí)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(shí)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(gè)相互垂直的類(lèi)法布里-珀羅共振之間的作用以及他們對(duì)透射的影響;證明了從可見(jiàn)光到近紅外區(qū)，對(duì)不同狹縫結(jié)構(gòu)參數(shù)及電介質(zhì)層厚度，納米天線對(duì)狹縫的透射增強(qiáng)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(zhǎng)的色散關(guān)系驗(yàn)證了

4、數(shù)值計(jì)算結(jié)果，說(shuō)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(guò)程。
　　在第四章，研究了蝴蝶結(jié)孔的透射過(guò)程及納米天線對(duì)蝴蝶結(jié)孔透射過(guò)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(duì)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(duì)蝴蝶結(jié)孔的透射具有開(kāi)關(guān)效應(yīng)。通過(guò)與納米天線對(duì)矩形孔的透射影響的對(duì)比，揭示了透射增強(qiáng)現(xiàn)象對(duì)應(yīng)于天線-電介質(zhì)層-

5、金屬腔內(nèi)的類(lèi)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(duì)納米光刻應(yīng)用和納米光子學(xué)器件設(shè)計(jì)具有重要的意義。
　　在第五章，研究了增益介質(zhì)對(duì)納米核殼粒子二聚體的電場(chǎng)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(duì)金屬殼的局域表面等離子體激元具有補(bǔ)償增益作用，因而導(dǎo)致納米核殼粒子二聚體間隙的電場(chǎng)能量增強(qiáng)。并且消光系數(shù)κ越小，電場(chǎng)能量增強(qiáng)越高。另外當(dāng)兩粒子間距較小時(shí)，增益介質(zhì)對(duì)兩核殼粒子間耦合作用的增強(qiáng)較明顯