低維金屬結構表面等離激元光子學特性及其傳感應用.pdf

1、得益于表面等離激元獨特的性質，低維金屬納米材料可以在深亞波長尺度上實現對光的約束與操縱，從而吸引了來自物理、化學以及生物等科研領域的廣泛關注。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構，因其獨特的光子學特性，在超緊湊全光回路、激光技術、生物化學傳感、非線性光學以及量子光學等領域具有廣泛的應用前景。
　　金屬納米線具有體表面積大、倏逝場強、機械強度高、光場束縛能力強與傳輸損耗相對較低等特點，是組成傳導型表面等離激元器

2、件的基本單元。然而目前對于金屬納米線光子學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維度上都實現對光場的深亞波長約束，并伴有顯著的局域場增強，是典型的基于局域型表面等離激元的零維結構。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，能實現的局域光場能量增強也受到了限制，影響了其在生化

3、傳感等諸多領域的應用。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域的一個重要問題。
　　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構，對其光子學特性及其傳感應用進行了研究，主要工作分為以下幾個部分:
　　第一章主要介紹了傳導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用。
　　在第二章中，基于數值模擬的方法，對低維金屬結構表面等離激元光子學特性以

4、及傳感應用進行了理論研究:(1)通過數值計算，分析了金屬納米顆粒的模場分布與遠場光譜特性，并對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等進行了討論。研究的結果為后續(xù)金納米棒的實驗部分提供了理論基礎;(2)系統(tǒng)地研究并得到了置于介質襯底上的金屬納米線的光子學特性，包括傳播常數、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提供更強的光場約束與相對較大的傳播長度。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特性之間的關系。研究的結果對基于金屬納米線等一維表面等離激元波導結構的應用具有重要的參考價值，為基于介質襯底加載型表面等離激元波導的光子學器件的應用提供了理論基礎;(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靈敏度、分辨率等傳感性能的影響。結果表明，對于直徑為100 nm的

6、金納米線，其靈敏度可高達5.5π/(μm·RIU)，并可以通過減小納米線直徑的方法進一步提高靈敏度。該研究結果為發(fā)展液體環(huán)境中，基于一維傳導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構及實驗相關材料的制備方法，并介紹了用于研究單個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。研究結果表明，當微納光纖直徑小于約6μm時，金納米棒與回音壁腔開始發(fā)生強耦合相互作用，導致其遠場散射光譜上明顯的模式劈裂與線寬壓縮。當微納光纖的直徑為1.46μm時，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，相較于單個沒有耦合的金納米棒，與腔強耦合的金納米棒能夠提供約為30倍的散射增強。此外，還通過鈀包覆的金納米棒與微