CN102707342B

CN102707342B - 一种集成金属纳米腔的表面等离激元透镜

Info

Publication number: CN102707342B
Application number: CN 201210211252
Authority: CN
Inventors: 李智; 岳嵩; 陈建军; 龚旗煌
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2012-06-20
Filing date: 2012-06-20
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2032-06-20
Also published as: CN102707342A

Abstract

本发明公开了一种集成金属纳米腔的表面等离激元透镜。本发明的表面等离激元透镜包括：衬底、金膜、纳米缝圆环和金属纳米腔；其中，金膜镀在衬底的上表面；纳米缝圆环位于金膜上并穿透金膜；以及金属纳米腔为矩形浅槽，位于纳米缝圆环的中心，从金膜的上表面开始刻到金膜内一定深度但没有刻透。本发明的表面等离激元透镜在金属纳米腔共振的情况下，可以将光场局域到小至6.0×10^-3λ₀ ²（λ₀是入射光的自由空间波长）的一个光斑，同时透镜中心的光强相比无腔的情况增强了5500倍。光源避免了径向偏振光的使用，也不要求光束中心和透镜中心的精确对准，应用范围更大，使用更方便。而且，本发明的表面等离激元透镜便于加工，易于高质量的制备。

Description

一种集成金属纳米腔的表面等离激元透镜

技术领域

本发明涉及纳米光子学领域，尤其涉及一种集成金属纳米腔的表面等离激元透镜。

背景技术

表面等离激元（Surface Plasmon Polariton）SPP是目前纳米光子学研究中的热点。表面等离激元是一种存在于金属与介质界面处的光波与金属内自由电子耦合的集体振荡，它是一种特殊的界面束缚模式的电磁场，其存在可以通过求解在金属与介质界面的边界条件下的麦克斯韦方程组而得到。SPP最大的特点是可以把光场局域在金属与介质界面处亚波长的尺寸内，突破传统光学的衍射极限，同时还拥有局域场增强效应，近年来SPP得到了研究者的广泛关注。

由于SPP可以在亚波长尺度上操控光场并具有共振场增强效应，这使得它有很多的应用，比如表面增强拉曼光谱SERS、增强荧光、纳米光刻、高密度存储等等。在很多的应用场合，人们都需要纳米聚焦的光场，不仅仅是要突破衍射极限，而且要进一步将光场局域到深亚波长的尺寸。为了得到SPP在空间上的亚波长局域，一个重要的方法是使用表面等离激元透镜（Plasmonic Lens）PL。表面等离激元透镜最基本的形式就是在厚的贵金属膜上刻透的纳米缝圆环。它可以将SPP在其中心处聚焦为一个亚波长的光斑，同时具有增强的局域场。已有的PL还包括用对称性破缺的纳米围栏实现聚焦以及用分立的圆弧实现SPP涡旋产生，等等。然而，传统的PL只能将SPP聚焦为一个尺寸比SPP半波长稍微小一点的光斑，对应的场增强倍数也不是很高，无法实现光场的深亚波长局域。最近，通过在表面等离激元透镜中心集成上一个“金纳米针”结构，如图1所示，这种“级联天线”结构可以进一步地将光场局域到深亚波长尺寸，同时在针尖处得到非常巨大的场增强。

虽然上述结构实现了光场的深亚波长聚焦与局域，不过由于该结构的圆对称性，实现上述功能需要使用径向偏振光，同时要求入射光束的中心和PL的中心精确对准。这点并不容易实现，也限制了该结构的现实应用。

发明内容

针对以上现有技术存在的问题，本发明提出了一种新的简单同时实现光场的深亚波长局域和巨大场增强的表面等离激元透镜。

本发明的目的在于提供一种集成金属纳米腔的表面等离激元透镜。

本发明的集成金属纳米腔的表面等离激元透镜包括：衬底、金膜、纳米缝圆环和金属纳米腔；其中，金膜镀在衬底的上表面；纳米缝圆环位于金膜上并穿透金膜；以及金属纳米腔为矩形浅槽，位于纳米缝圆环的中心，从金膜的上表面开始刻到金膜内一定深度但没有刻透。

衬底为透明的介质。从而，入射光能够从衬底透射，入射到金膜上。

金膜的厚度T远大于光波在金属中的穿透深度h_skin，并且即使在金膜的上表面刻上为矩形浅槽的金属纳米腔，金属纳米腔的深度h，从金属纳米腔的底部到衬底的上表面剩余的金膜的厚度仍能远大于光的穿透深度，即T-h>>h_skin，从而阻止了衬底的入射光直接透过，使得位于金膜的中心的金属纳米腔是一个纯的SPP腔。

纳米缝圆环可以为单圈圆环或两圈以上同心圆环。

纳米缝圆环为单圈圆环时，圆环的内直径D为5~20微米；缝宽w为50~300纳米。

金属纳米腔位于纳米缝圆环的中心，是从金膜上表面开始刻到金膜内一定深度但没有刻透的矩形浅槽，金属纳米腔的左侧壁、纳米腔内的空气、金属纳米腔的右侧壁，形成金属-介质-金属MIM垂直腔。

金属纳米腔的长度L≥180纳米；宽度g为5~50纳米；深度h由长度L和宽度g来确定。当g和L一定时，深度h为一阶共振的深度。

当沿X方向线偏振的光从衬底的下表面沿Z方向正入射到等离激元透镜上时，存在于金膜/空气界面的SPP将会被纳米缝圆环有效地激发并向中央聚焦。聚焦在金属纳米腔的边缘处的SPP将会激发金属纳米腔内的MIM波导模式，同时该模式将会在金属纳米腔的底部和顶部来回反射，形成MIM垂直腔。在合适的条件下，金属纳米腔达到共振，此时光场将会得到紧束缚和局域增强。

进一步，本发明的纳米缝圆环可以为两圈以上同心圆环。通过使用多圈同心圆环来代替单圈圆环，利用多圈同心圆环在能量收集过程中的共振效应，更多的远场能量将会被转化到近场，同时也将得到更大的局域场增强。

而且，本发明便于加工制备，比如，直接采用聚焦离子束刻蚀（FIB milling）的方法制备。制备出的金属纳米腔的质量也许会受到金膜不均匀性的影响。可以选择一些最近发明的制备纳米结构的新方法，比如模板剥离法（Template Stripping）TS等，来制备具有高深宽比的金属纳米腔。使用这样的方法制备出的纳米结构，金膜上表面是非常平整、非常光滑的，同时高深宽比的金属纳米腔中非常尖锐、非常陡直的拐角也是可以保证的。因此，能够高质量地制备出本发明的纳米结构。

本发明的优点：

本发明的表面等离激元透镜在金属纳米腔共振的情况下，可以将光场局域到小至6.0×10^-3λ₀ ²（λ₀是入射光的自由空间波长）的一个光斑，同时透镜中心的光强相比无腔的情况增强了5500倍。本发明的光源避免了径向偏振光的使用，也不要求光束中心和透镜中心的精确对准，应用范围更大，使用更方便。而且，本发明的表面等离激元透镜便于加工，易于高质量的制备。

附图说明

图1为现有技术的集成金纳米针的表面等离激元透镜的结构示意图；

图2为本发明的集成金属纳米腔的表面等离激元透镜的结构示意图；

图3为本发明的金属纳米腔的局部放大图；

图4为在不同金属纳米腔的长度L下，归一化的光强随着金属纳米腔的深度h的变化的曲线图；

图5（a）和（b）分别为本发明的集成金属纳米腔的表面等离激元透镜的上方10nm处的沿着X方向和Y方向的归一化光强分布|E|²的曲线图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实例对本发明做进一步说明。

本发明的集成金属纳米腔的表面等离激元透镜包括：衬底1、金膜2、纳米缝圆环3和金属纳米腔4；其中，金膜2镀在衬底1的上表面上；纳米缝圆环3位于金膜2上并穿透金膜；以及金属纳米腔为矩形浅槽，位于纳米缝圆环的中心，如图2所示。衬底采用光学玻璃。

入射波长λ₀取为830nm，对应的金的折射率是0.08+5i。纳米缝圆环的内直径D和缝宽w分别为5m和100nm。金膜的厚度T选作750nm，这样从金属纳米腔的底部到衬底的上表面的剩余的金膜的厚度仍然能远大于光的穿透深度，从而阻止了入射光从衬底的直接透过，使得中心的金属纳米腔是一个纯SPP的腔。金属纳米腔的宽度g为20nm，保证紧的光场局域。

图3为金属纳米腔的局部放大的示意图，如图3所示，金属纳米腔是长度L、宽度g、深度h的矩形浅槽，形成金属-介质-金属MIM垂直腔。聚焦在金属纳米腔的边缘处的SPP将会激发金属纳米腔内的MIM波导模式，同时该模式将会在金属纳米腔的底部和顶部来回反射，如图3中箭头所示，形成MIM垂直腔。在合适的条件下，金属纳米腔达到共振，此时光场将会得到紧束缚和局域增强。

为了定量研究金属纳米腔的场增强效应，不具有金属纳米腔的PL中心位于金膜上方10nm处的光强|E|²被用作参考值，并被设为单位1。在同样的PL几何尺寸和照明条件下，设置一个具有不同长度L和深度h的金属纳米腔，形成了集成金属纳米腔的PL。这个集成金属纳米腔的PL的中心位于金膜上方10nm处的光强也被提取出来，并用参考值归一化。在几个不同金属纳米腔的长度L下，归一化光强随着金属纳米腔的深度h的变化情况如图4所示。可以看到，在合适的金属纳米腔的几何尺寸下，集成金属纳米腔的PL的中心处光强相比不具有金属纳米腔的PL而言可以增强至少3个数量级。另一个显著特征是场增强效应表现出明显的共振行为，在图中表现为曲线有明显的共振峰。

从图4所示结果来看，给定金属纳米腔的长度，随着金属纳米腔的深度的增加，场增强因子在下降。同时，较浅的金属纳米腔也意味着比较容易加工。因此，从深度的角度讲，比较浅的金属纳米腔拥有更好的性能，也就是说在金属纳米腔的长度和宽度给定的情况下应该选择其对应的第一阶共振的深度。关于金属纳米腔的长度，更短的金属纳米腔长意味着Y方向有更好的局域。但是，金属纳米腔的长度不能任意的短，因为当金属纳米腔长小于180nm时，对称MIM波导模式将会截止。在截止尺寸以下，金属纳米腔将失去共振增强效应。以一个长度为150nm的金属纳米腔作为例子，其场增强因子如图4中菱形的曲线所示。从图4中很容易看到这个金属纳米腔没有表现出明显的共振效应，同时其场增强因子也一直很低，说明波导模式截止时没有金属纳米腔的共振效应。从上面的分析我们可以得出结论，一个合适的比较短的长度以及其对应的一阶共振的深度可以作为最优化的金属纳米腔几何参数。选择金属纳米腔的长度为200nm，保证波导模式不被截止，同时选择其对应的一阶共振的深度180nm近似作为最优的几何尺寸。

在这个金属纳米腔共振的情况下，场增强因子达到了5455倍，同时该集成金属纳米腔的PL中心的金膜上方10nm处的光强被提取出，如图5中实线所示。实线表示的X和Y两个方向的半高全宽FWHM分别为33.6nm和122nm，意味着这个集成金属纳米腔的PL可以将SPP聚焦到一个尺寸小至6.0×10^-3λ₀ ²的光斑，是真正意义上的深亚波长尺寸。作为对比，一个传统的PL在径向偏振光激发下焦点附近的光强分布如图5中虚线所示。X和Y两个方向的半高全宽均为288nm（因为此时PL和激发光场都是圆对称的），意味着焦点的尺寸为0.12λ₀ ²，相比集成金属纳米腔的PL的焦点大了20倍。

进一步，通过使用两圈以上同心圆环来代替单圈圆环，利用在能量收集过程中的共振效应，更多的远场能量将会被转化到近场，同时也将得到更大的局域场增强。同心圆环的圈数最好为5至15圈。举例而言，如果PL是由10圈周期为814nm的同心环构成（814nm等于金/空气界面处的SPP波长），那么同样的集成金属纳米腔的表面等离激元透镜将会给出一个高达7.08×10⁴的增强因子，大约是单圈圆环情况下的12倍。

最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims

1.一种集成金属纳米腔的表面等离激元透镜，其特征在于，所述表面等离激元透镜包括：衬底（1）、金膜（2）、纳米缝圆环（3）和金属纳米腔（4）；其中，金膜（2）镀在衬底（1）的上表面；纳米缝圆环（3）位于金膜（2）上并穿透金膜；以及金属纳米腔（4）为矩形浅槽，位于纳米缝圆环（3）的中心，从金膜（2）的上表面开始刻到金膜内一定深度但没有刻透，所述一定深度是指从金属纳米腔的底部到衬底的上表面剩余的金膜的厚度仍能远大于光的穿透深度；金属纳米腔的长度不小于180nm。

2.如权利要求1所述的表面等离激元透镜，其特征在于，所述衬底为透明的介质。

3.如权利要求1所述的表面等离激元透镜，其特征在于，所述金膜的厚度T远大于光波在金属中的穿透深度h_skin，金属纳米腔的深度h，从金属纳米腔的底部到衬底的上表面剩余的金膜的厚度仍能远大于光的穿透深度，即T-h>>h_skin。

4.如权利要求1所述的表面等离激元透镜，其特征在于，所述纳米缝圆环（3）为单圈圆环或两圈以上同心圆环。

5.如权利要求4所述的表面等离激元透镜，其特征在于，所述纳米缝圆环为单圈圆环时，圆环的内直径D为5～20微米；缝宽w为50～300纳米。

6.如权利要求4所述的表面等离激元透镜，其特征在于，所述同心圆环的圈数为5至15圈。

7.如权利要求1所述的表面等离激元透镜，其特征在于，金属纳米腔（4）的长度L≥180纳米；宽度g为5～50纳米，深度h由长度L和宽度g来确定。

8.如权利要求7所述的表面等离激元透镜，其特征在于，当金属纳米腔（4）的宽度g和长度L一定时，深度h为一阶共振的深度。