金属纳米结构中表面等离激元的Fano共振效应研究

论文摘要

金属纳米颗粒中的自由电子集体振荡——表面等离激元(Surface Plasmon,SP)共振,具有非常独特的光学性质,可以在纳米尺度对电磁场进行局域、传导、调控以及增强光与物质相互作用,因而受到广泛关注。目前关于SP的研究正逐步发展成为一门新的科学,即表面等离激元学(plasmonics)。本论文从理论上研究了金属纳米结构中SP共振耦合效应产生的Fano共振现象,创新性地提出了两种产生Fano共振的新方案,我们设计的这两种支持Fano共振的金属纳米结构在传感器、光学开关器件等方面具有重要的应用价值。论文首先介绍了表面等离激元的基础概念,阐述了SP的原理和应用,并对表面等离激元学进行了展望。其次,介绍了表面等离激元纳米结构中的Fano共振和电磁计算模拟方法。最后,本文创新性地提出了两种由表面等离激元共振耦合效应产生Fano共振的新方案。论文内容主要包括以下两个方面:1.我们从理论上研究了打有U形环孔银膜的光学透射特性。我们研究发现,打有U形环孔银膜的透射光谱中出现一个不对称的Fano线性。该Fano共振是起源于银膜表面传播的表面等离极化激元(SPPs)和银膜上U形环孔产生的磁等离极化激元(MPPs)之间的耦合。此外,在透射光谱中还观察到共振位置的反交叉行为,这充分表明SPPs与MPPs之间产生强烈的耦合作用。由于在Fano共振位置处,其光谱具有陡峭的色散特性,我们所提出的等离激元纳米结构在传感器、光学开关、非线性以及慢光器件中具有重要的应用价值。2.我们提出通过将金属竖直U型环(VSRR)的平面矩形阵列顶起来减少衬底效应,金属VSRR的MP共振与周期性阵列中由Wood异常引起的集体表面模式之间的相互耦合可以产生一个具有巨大磁场增强效应的窄带杂化共振模。这种耦合还可以导致非常有趣的反交叉现象,类似于在原子物理学中观察到的Rabi劈裂,其可以通过一个耦合振子模型得到很好的解释。更为重要的是,因为这种杂化模式共振位置处VSRR内的磁场被极大增强,而且是完全暴露在空气中的,所以我们所设计的三维超构材料具有很高的传感性能因子(S=900nm/RIU,FOM=38,FOM*=125)。因此,我们设计的这种三维超构材料可用于无标识的生物医学传感和检测。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 专用术语注释表
• 第一章 绪论
•   1.1 引言
•   1.2 表面等离激元的简介
•     1.2.1 表面等离激元概述
•     1.2.2 表面等离激元的基本原理
•     1.2.3 表面等离激元的激发与传播
•   1.3 表面等离激元的应用
•   1.4 表面等离激元学展望
•   1.5 论文主要内容
• 第二章 金属纳米结构中的Fano共振现象以及电磁计算模拟
•   2.1 引言
•   2.2 Fano共振介绍
•   2.3 Fano共振产生的原理
•   2.4 Fano共振的应用
•   2.5 表面等离激元的电磁计算模拟方法有限元方法（FEM）
•     2.5.1 方法简介
•     2.5.2 基于FEM方法的软件COMSOL Multiphysics
•   2.6 本章小结
• 第三章 打有SRR周期孔阵列的银膜中的Fano共振效应研究
•   3.1 引言
•   3.2 理论计算模型
•   3.3 数值计算结果分析与讨论
•   3.4 本章小结
• 第四章 悬浮三维超构材料中磁等离激元共振的衍射耦合效应及其传感性能研究
•   4.1 引言
•   4.2 理论计算模型
•   4.3 数值计算结果分析与讨论
•   4.4 本章小结
• 第五章 总结与展望
•   5.1 总结
•   5.2 今后工作的展望
• 参考文献
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 任衍闯

导师: 谌静

关键词: 金属纳米结构,超构材料,共振,表面等离激元

来源: 南京邮电大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 力学,材料科学

单位: 南京邮电大学

分类号: TB383.1;O321

DOI: 10.27251/d.cnki.gnjdc.2019.000925

总页数: 43

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