矩形劈裂环和月牙形金纳米结构的表面等离激元Fano共振

摘要

表面等离激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)是在入射光激发下金属和介质界面处自由电子的集体振荡与电磁波的耦合模式,其在金属表面的电磁场能量束缚特性给金属表面带来了巨大的局域电磁场增强。由于这种增强特性和周围介质(折射率)密切相关,基于表面等离激元的环境传感器已被广泛研究并应用于生物化学领域。提高该类型传感器的灵敏度和扩大其适用范围是研发该传感器的关键问题。
　　Fano共振是由于共振散射过程和其背景的相互干涉而产生的一种非对称线型的共振散射现象。表面等离激元的Fano共振是由一个可被光激发的亮态和一个不可被光直接激发的暗态相干叠加构成。其Fano共振处的低损耗成为提高表面等离激元传感器灵敏性的重要途径。
　　同时不同形状的金属纳米结构表面等离激元特性不同,本文通过有限元方法(Finite element method, FEM),主要研究矩形劈裂环及月牙形两种金纳米结构。
　　首先,本文从对称的金矩形劈裂纳米环阵列开始,研究了它的电磁场、表面电荷分布等表面等离激元特性,发现这种结构对入射光的电场偏振具有依赖性。在此基础上,我们研究了电场沿水平方向偏振时,劈裂宽度对劈裂纳米环吸收光谱的影响,结果表明,随着劈裂宽度的增加,共振峰蓝移,且劈裂宽度越小时,共振峰随劈裂宽度的移动越明显,同时其展宽也越大。接着我们研究了劈裂中心位置上的电场增强、横臂中心的磁场增强,发现电磁场增强随着劈裂宽度的增加其共振峰均蓝移,且在劈裂宽度越小时有越大的电场增强,最大在劈裂宽度d=5nm时可以达到42倍,而磁场的增强由于横臂长度不变而基本保持一致。接着我们分析了在固定劈裂宽度d=20nm时纳米结构周围介质的折射率对其吸收光谱的影响,发现了其对折射率的高灵敏度。当介质折射率n=1.4时,通过估算得出品质因数 FoM≈9.0,这比一般纳米结构的灵敏性都高,可以为近红外超灵敏探测器的研究提供依据。
　　然后,我们固定纳米环的横臂及纵臂的总长度及劈裂的宽度,移动劈裂的位置,构造出一种非对称金矩形劈裂纳米环。我们从劈裂环右半部分的表面等离激元特性及透射光谱的研究出发,发现随着横臂臂长的增加,“亮态”3与高阶“亮态”1均红移,“暗态”2由于劈裂纳米环的厚度不变而保持不动,当“亮态”3或者高阶“亮态”1与“暗态”2重叠时会出现Fano线型共振峰。接着通过杂化理论,利用表面电荷分布研究了劈裂纳米环Fano共振峰形成的机制,随着劈裂位置的移动,高阶“亮态”H与“暗态”F同样会因为相互重叠形成Fano共振峰。为了研究非对称情况下结构的灵敏性,我们计算了不同折射率下左侧横臂长度d=20nm时吸收谱的变化,并且分别估算出D与H的品质因数,发现H的品质因数大于D的,且H处于可见光区,而D处于近红外区,这为我们利用H模式来设计可见光区的等离激元共振传感器提供依据。
　　最后,我们将矩形结构改进为月牙结构,我们从实验测量的纳米月牙结构的透射谱与模拟结果的对比出发,通过杂化理论利用在不同月牙腰宽下的透射谱及共振峰处的表面电荷分布研究了月牙结构的Fano共振特性,通过纳米圆盘和纳米孔的耦合可以得到纳米月牙的“亮态”与“暗态”,并且通过纳米孔的四极子态与纳米月牙的“暗态”的耦合可以形成Fano共振,当纳米月牙的“亮态”或“暗态”共振峰靠近Fano共振峰时会出现明显的Fano线型特性,且其线型特性随着d的增加逐渐变弱。同时我们也估算了d=120nm时结构的品质因数,得出FoM=2.2~3.1,这对于制作等离激元传感器有很好的指导作用。