微納結(jié)構(gòu)中的Fano共振和結(jié)構(gòu)色特性研究.pdf

1、當材料的尺寸進入微納尺度后，所形成的微納結(jié)構(gòu)處于微觀分子和宏觀物質(zhì)的過渡區(qū)域，出現(xiàn)很多新奇效應，例如，表面效應、局域場效應、量子尺寸效應和宏觀量子隧道效應等。這些效應使得微納材料表現(xiàn)出特異的力、熱、光、電、磁特性。對于微納材料新奇特性的研究，是光物理研究的重要方向之一，同時也進一步促進了微納材料的發(fā)展。微納材料根據(jù)形成方式的不同，可以分為兩類，一類為人工結(jié)構(gòu)材料，例如通過光刻的方式制備的超材料（metamaterials）以及光子晶體(

2、photonic crystal)等。這些人工材料中存在一類新的共振形式，叫做Fano共振。另一類為，自然界中存在的天然結(jié)構(gòu)材料，它們在微觀上具有周期性結(jié)構(gòu)，引起特異的光電性質(zhì)，例如某些蝴蝶的翅膀、孔雀羽毛的顏色等，其顏色不是體內(nèi)化合物所引起的，稱為結(jié)構(gòu)色。
　　本文主要研究了微納結(jié)構(gòu)的人工材料中Fano共振效應和自然材料中蝴蝶翅膀所存在具有虹彩效應的結(jié)構(gòu)色。本文主要從以下五個方面展開了研究。
　　第一章，介紹了金屬表面等離

3、子體、超材料、Fano共振、顏色和結(jié)構(gòu)色的概念，概述了這些研究方向的背景知識和主要研究進展。
　　第二章，針對微納人工結(jié)構(gòu)中觀察到的Fano共振，采用MATLAB軟件進行理論計算和擬合，對Fano共振和Lorentz共振之間的參數(shù)關系和互相轉(zhuǎn)換做了分析研究，揭示出Fano共振的頻率和線寬跟Lorentz振子的耦合系數(shù)之間的關系。當Lorentz振子的本征頻率發(fā)生變化時，F(xiàn)ano參數(shù)也發(fā)生明顯的轉(zhuǎn)換。研究結(jié)果表明通過在超材料和金屬納

4、米材料中對Lorentz共振的設計可以實現(xiàn)控制Fano共振的產(chǎn)生，相關的研究成果已在Optical and Quantum Electronics發(fā)表。
　　第三章，提出基于金屬銀材料的月牙橢圓盤結(jié)構(gòu)(Nano-crescent elliptical disk，NCED)模型，采用商用軟件COMSOL進行模擬，觀察到局域電場增強的多極Fano共振。研究橢圓結(jié)構(gòu)幾何尺寸和周圍介電常數(shù)的改變對多極Fano共振的影響。對模擬結(jié)果進行分析

5、和擬合，結(jié)果顯示多極模式的局域電場增強因子與橢圓盤的短軸和結(jié)構(gòu)的環(huán)境折射率成線性函數(shù)關系。多極Fano共振的研究進一步促進了多極Fano共振的模擬、非線性光學響應、生物化學傳感和光子器件的發(fā)展，相關的研究成果已經(jīng)撰寫成文，已投EPL。
　　第四章，選取綠帶翠鳳蝶為測量樣品，研究了其閃亮后翅結(jié)構(gòu)色的產(chǎn)生機理和偏振特性。借助電子掃描電鏡和宏觀變角度測量系統(tǒng)，對它的虹彩色進行光譜測量，結(jié)構(gòu)分析和理論計算，討論了蝴蝶翅膀中微納結(jié)構(gòu)的反射、