支持偶极和高阶等离子体模式的纳米桥菱形天线

发布时间:2022-08-24 04:15:59 来源:乐鱼体育APP下载 作者:乐鱼体育在线入口
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  在《Opto-Electronic Advances》的最新出版物中,厦门大学田教授和湖南大学长沙分校段教授的研究小组,讨论了中红外中支持偶极和高阶等离子体模的纳米桥菱形天线。

  (a)NBRA二聚体的草图、形貌和近场成像。(b)吸附在NBRA二聚体上的单层分子的SEIRA光谱(有或没有反射器)。来源:Compuscript Ltd

  中红外天线(MIRAs)通常由金属(如Au、Al或Ag)、高掺杂III-V半导体、电子掺杂石墨烯或基于声子极化的纳米结构构成,支持中红外光谱范围(400 - 4000cm−1)的光学共振。MIRAs可以作为接收天线,将自由空间的中红外波束集中到MIRAs表面附近的纳米尺度区域(称为热点区域)。MIRAs还可以作为发射天线,定向放大与MIRAs耦合的源局部加热产生的热辐射。MIRAs的这些令人印象深刻的特性激发了广泛的研究,其潜在应用于表面增强红外吸收(SEIRA)光谱,导致超高灵敏度(多达数百个振荡器),用于中红外区域的生物和化学传感器,用于量子级联激光器的束形工程,以及中红外吸收和光载流子收集效率提高的高响应光电探测器。高性能应用的核心是MIRA微纳米结构,但在可见光谱范围内,MIRA结构的发展远远落后于光天线纳米结构。

  单臂偶极天线结构是最经典的mira结构之一,通常由通过调节杆的长度而具有可调谐共振波长的金棒组成。此外,带有纳米尺寸的缝隙(纳米间隙)的双臂偶极天线,如金棒二聚体,也因其纳米间隙中的局部场增强因子的强度而被开发出来。然而,单臂和双臂偶极天线通常只支持偶极共振模式,这是一种基本窄带模式,典型带宽在200-500 cm−1左右。通常,单臂或双臂的高阶模在光谱中都很弱。这一特性限制了MIR区域需要多重共振的应用。

  为了获得多波段MIRAs,除了单臂或双臂天线外,还设计了几种微纳米结构,其中包括金纳米交叉、纳米孔径结构、分形微观结构、对数周期梯形结构和多重长度的偶极天线。这些结构可以分为支持几种偶极模式的微纳米结构。从根本上说,开发单臂或双臂天线,同时支持基本模和高阶等离子体模(如四极模),是一个长期的挑战。

  (a) NBRA模型,(b)纳米桥接圆盘模型,(c)纳米桥接矩形模型。所有的结构都被放置在CaF2衬底上。入射极化沿纳米桥的长轴方向。三种结构的纳米桥的厚度和宽度均为30纳米。NBRA和纳米桥接圆盘的纳米桥接长度为130纳米,而纳米桥接矩形的纳米桥接长度为500纳米。NBRA的总长度为3000纳米。圆盘的半径为500纳米。矩形的长、宽分别为962 nm和308 nm。(a-c)中的红点是lfef计算的位置。在NBRA和纳米桥接圆盘的CaF2衬底上方15 nm处,沿长轴距离结构2 nm处评估LFEF。对于纳米桥接矩形,计算点在距离矩形角2nm处。(d)三种结构的模拟消光光谱和(e) lfef。(f) NBRA、(g)纳米桥接圆盘和(h)纳米桥接矩形的CTP共振处的e场分布。

  厦门大学田教授和湖南大学段教授的研究组设计并制作了一种多尺度纳米桥菱形天线a),该天线在MIR中支持两种主要谐振(图1b),包括电荷转移等离子体(CTP)带和桥联偶极等离子体(BDP)带,看起来像一个四共振。散射型扫描近场光学显微镜(s-SNOM)成像和电磁模拟证明了这些任务。与其他纳米桥接结构(如纳米桥接圆盘或纳米桥接矩形)相比,NBRA在模拟消光光谱中显示出明显的中红外区多波段共振。

  此外,NBRA的热点分布在结构的末端,而纳米桥接圆盘或矩形的CTP共振热点分布分散。通过RLC电路分析,高阶带只出现在菱形臂一端连接的纳米级桥(纳米桥)上,这一端主要作为电感和电阻。此外,与两个谐振带相关的主要热点在空间上叠加,从而通过多尺度耦合增强两个带的局部场。大场增强,多波段检测与高灵敏度的分子单层是实现时,使用SEIRA光谱。这项工作为设计具有纳米桥和纳米隙的多波段MIRAs提供了一种激活高阶模式的新策略,用于多波段SEIRAs、红外探测器和量子级联激光器的光束成形等MIR应用。

  (a)模拟不同纳米桥宽NBRA结构的消光光谱。(b - c)单NBRA结构的偶极等离子体成键带(b)和四极等离子体成键带(c)的模拟映射。(d - e) Ez在CTP波段(d)和BDP波段(e) 370 nm纳米桥宽的模拟映射。

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