表面等离子体纳米结构若干光学性质的研究毕业论文(编辑修改稿)

表面等离子体纳米结构若干光学性质的研究毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

........................................................... 24 Definition of Dyadic ............................................................................................ 25 The Space Expression of Dyadic Green39。 s Functions ........................................... 26 Treatment of The Singularities in Dyadic Green’s Function ................................. 29 Deposition in Dyadic Green’s Function .......................... 错误 !未定义书签。 31 Electric Fields of an Arbitrary Dipole ................................................................... 31 江苏科技大学工学硕士学位论文 VIII Fast Evaluation of Sommerfeld Integrals ............................ 错误 !未定义书签。 34 Numerical Results for Radiation and Scattering ................................................... 37 Brief Summary of This Chapter................................................................................... 39 Chapter4 Research on SPPs by Curved Chains of Nanoparticles ................................ 40 Research ....................................................................................................................... 40 Sample Preparation .................................................................................................... 40 Theory Model ............................................................................ 错误 !未定义书签。 42 Numerical Results and Discussion .............................................................................. 45 Brief Summary of This Chapter................................................................................... 51 Conclusion ............................................................................................................................ 53 References ............................................................................................................................ 55 Published Papers During Studying for Master ................................................................. 59 Acknowledgements ........................................................................................................ 61 1 第 1 章 绪论 1 第 1 章 绪论 表面等离子体的研究背景 21 世纪，科学和技术地飞速发展，信息技术渗透到社会的各个领域。 人们对信息需求越来越多 ， 对信息处理和存储的要求越来越多。 于是，人们对元器件的微型化和高度集成化提出了更高的要求 ， 要求单元器件的尺寸越来越小 ， 器件的空间距离也越来越小（突破光学衍射极限 )。 可是 ， 传统的光子学器件受衍射极限的限制 ， 在纳米尺度结构上难以实现相关信息的传输、处理和应用等 ， 因此迫切需要实现突破衍射极限的新机制和新技术，同时纳米尺度器件也表现出传统器件所不具有的新功能和新应用。 纳米光子学 [1]（ nanophotonic）是一个新兴的研究领域，旨在对纳米尺度的光学现象的理解 ， 即接近或超越光的衍射极限。 纳米科学和纳米技术的飞速进步推动了纳米光子学发展 ， 同时为制造、操纵和表征纳米尺度提供了有效的工具。 近场光学是纳米光子学的信息载体 ， 通过纳米尺度的光学器件与近场光学之间的相互作用 ， 实现光学信息的传递、处理、放大 ， 是近场光学（ nearfield optics）的一种发展。 光学近场的能量传递、控制及其应用是纳米光子学研究中重要内容。 将光限制在纳米尺度是纳米集成光学器件、近场光学和纳米光子学等学科的一个主要挑 战。 目前国际上实现纳米尺度的光学控制主要有两种方法。 一种方法是基于光子晶体（ Photonic Crystals， PCs)[2]。 由于光子晶体是典型的周期性结构 ， 只能有部分波长的光能通过 ， 其尺寸也仅是波长量级 ， 只能解决部分的问题。 目前光子晶体结构大多数是三维结构 ， 对结构制作和设计都提出了较高的要求。 另外一种方法是基于表面等离子体 （ Surface Plasmon Polaritons， SPPs）。 表面等离子体是金属表面自由电子随入射光子同频率集体振荡产生的一种表面束缚的电磁波[3]， 是存在金属表面的一种 束缚性 和 非辐射性的模式。 与光子晶体相比较 ， 利用表面等离子体可以将维度从三降为二维 ， 在纳米尺度上，实现超越衍射极限的光的操控 ，同时实现局域近场增强。 SPPs 低维度、高强度和亚波长的特点 ，在纳米光子学领域中有着无限的应用潜力，被喻为目前最具希望的纳米集成光子器件的载体，并在纳米光学成像、纳米光刻等有着广泛应用。 表面等离子体的研究现状和应用 1902 年， R. W. Wood 在光学实验中首次发现了表面等离激元共振现象。 1941 年，U. J. Fano 等人根据金属和空气界面上表面电磁波的激发解释了这一现象。 1957 年，表面等离子体的第一个实验是由 电子能量损耗测量实现的 [4]， R. H. Ritchie 注意到，江苏科技大学工学硕士学位论文 2 当高能量电子通过金属薄膜时，不仅在等离激元频率处有能量损失，在更低频率处也有能量损失峰，他认为这与金属薄膜的分界面是有关系的。 1959 年， C. J. Powell 和J. B. Swan通过实验证实了 R. H. Ritchie 的理论。 1960 年， Stern和 Ferrell 研究了此种模式产生共振的条件并首次提出了表面等离激元的概念，并首次推导了金属表面这种电磁波的色散关系 [5]。 1968 年， Otto 在实验中用他首创的 衰减全反射 技术 （ Attenuated Total Reflection， ATR）实现光波段表面等离子体的激发 [6]。 现在广泛应用的暗场照明模式近场光学显微镜正是基于 Otto的实验构想。 同年 Kretsehmann和 Raether 改进 Otto结构，提出了现在最广泛应用的激发 SPPs 的 Kretschmann模型 [7]。 八十年代初，基于SPPs 的研究工作在 Agranovich的书中有十分全面的综述 [8]。 1984 年，瑞士苏黎世 IBM 研究室的 等人成功研发了世界上第一台近场扫描光学显微镜（ Nearfield Seanning Optical Microscopy， NSOM） [9]。 随着 NSOM的出现，使得在探测金属表面的 SPPs 成为可能 [10]， SPPs 的散射和局域性得到了广泛的研究，形成了二维等离子体光子学。 在 1997 年， Bozhevolnyi 和 Pudonin在前人的研究基础上提出了二维表面等离子体光学的设想，并成功进行了一些原理性实验[11,12]。 实际上，因为 SPPs 被控制在垂直于表面的方向，直接观察 SPPs 局部化只有可能利用 NSOM。 基于 SPPs 的 NSOM 证实了微弱的和强烈的 SPPs 局部化的存 在。 然而，由于 SPPs 两维光学的诞生，在理想表面控制 SPPs 的光学增强开始形成。 通过利用人工制造的纳米器件来操纵和引导 SPPs 光束在表面传播。 纳米科学和纳米技术的快速发展，使得纳米光子学不再局限于基于非辐射束缚模式的机理的研究，更多的拓展到实际应用领域。 SPPs 的奇特性质使其在亚波长光学、全光集成、光存储、光激发、生物光子学等方面发挥越来越重要的作用 [13]。 目前， SPPs 已经应用于很多领域： 1. SPPs 波导 纳米全光集成实现的基础是 SPPs 波导，在此基础可以进一步研发基于金属表面结构的各种 SPPs 器 件。 周期性排列的表面纳米粒子表现出关于 SPPs 的二维光子晶体的属性。 这样的 SPPs 带隙结构可以使颗粒间的狭缝变窄， SPPs 能局限于狭缝并沿狭缝传播，通过适当引入表面缺陷结构可以实现 SPPs 直线波导、弯曲波导及分束波导等。 为了进一步减小微器件尺寸，国内外学者研究了各种各样的 SPPs 波导：在周期性光子结构中引入条形带隙结构的 SPPs 波导 [14]，基于粗糙表面近场增强和强局域效应的SPPs 波导 [15]， 基于周期性结构的金属线或粒子的 SPPs 波导 [16]，以及基于 ―V‖型槽的SPPs 波导 [17]等。 其中， ―V‖型槽 SPPs 波导有低传输损耗、单层膜结构、 低灵敏度等特点， 2020 年 Bozhevolnyi 等人在 Nature 上发表了基于 ―V‖型槽 SPPs 波导的分束器、MZ 干涉仪和环形共振器 [17]，如图 所示。 纳米尺度的金属表面结构证实了表面等离子体的激发、聚焦和导波同时发生的可第 1 章 绪论 3 行性，同时也为表面等离子体亚波长光学的发展提供了强有力的工具。 图 基于 V型波导的 SPPs 分束器、 MZ 干涉仪和环形共振器 Plasmonic Ysplitter, MachZehnder(MZ) interferometer and waveguidering (WR) resonator based on Vwaveguide. 2. 生物和医疗 表面等离子体共振（ Surface Plasmon Resonance， SPR）以其快速、高灵敏度的特性，被广泛的应用于生物小分子的精密探测、高分辨率显微镜和更加有效的癌症治疗方案 [18]。 图 显示的是利用 SPR 效应来摧毁癌细胞 [19]。 Rice 大学的 Naomi Halas 和Peter Nordlander 等人致力于这项新技术的深入研究和实践证明。 在硅纳米球（直径约100nm）的表面附上一层 10nm 厚的金薄膜，将纳米小球注射进血液，纳米小球自动嵌入到不断生长的肿瘤内。 然后，利用近红外激光束入射癌细胞部分，激光穿透皮肤并激发电子在纳米球内产生共振。 壳内表面和外表面场的相互耦合作用，微粒吸收能量，使得局域温度大幅度升高，最终癌细胞被并杀死、健康组织却不被破坏害。 如果这项技术成功的话，将给广大癌症患者带来新的希望，进一步推动医学的发展。 图 利用金纳米球新技术治疗癌症 New technology of cancer treatment using gold nanosphere 江苏科技大学工学硕士学位论文 4 3. 新型光源和能源 SPPs 在太阳能电池和新型能源相关器件方面也有重要应用。 纳米材料的光电性质、机械性能均可通过改变颗粒的尺寸来实现。 太阳能电池与金纳米粒子薄膜结合，能比传统太阳能电池更有效地吸收太阳能。 2020 年， 等人 [20]在光伏电池的实验中应用了 SPPs。 实验表明：金属纳米粒子能使入射的阳光更加分散，从而使更多的光线进入光伏电池中；其次，不同种类和尺寸的粒子可以用来改进光的效果。 更重要的是 SPPs 能应用于任何类型的光伏电池，均会大大地提高 转换效率。 这一系列的实验表明，基于 SPPs 的产品能够商业化成功的话，那么对解决人类的能源问题将起到不可估量的作。