CN105807096B - 非线性纳米金属螺旋锥探针 - Google Patents

非线性纳米金属螺旋锥探针 Download PDF

Info

Publication number
CN105807096B
CN105807096B CN201610137267.4A CN201610137267A CN105807096B CN 105807096 B CN105807096 B CN 105807096B CN 201610137267 A CN201610137267 A CN 201610137267A CN 105807096 B CN105807096 B CN 105807096B
Authority
CN
China
Prior art keywords
nano
probe
metal
electric field
field
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN201610137267.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN105807096A (zh
Inventor
匡登峰
董立群
曹燕燕
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nankai University
Original Assignee
Nankai University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nankai University filed Critical Nankai University
Priority to CN201610137267.4A priority Critical patent/CN105807096B/zh
Publication of CN105807096A publication Critical patent/CN105807096A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105807096B publication Critical patent/CN105807096B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q10/00—Scanning or positioning arrangements, i.e. arrangements for actively controlling the movement or position of the probe
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Radiology & Medical Imaging (AREA)
  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

一种改进的能产生强纵向偏振电场和旋转电场的高灵敏度、高空间分辨率的非线性纳米金属螺旋锥探针。该探针由金属纳米锥结构和金属非线性螺旋结构复合构成，在之前调控效果最好的纳米金属螺旋锥探针中锥和螺旋结构3:1复合的基础上，引入螺旋结构非线性因子N(1<N<6)，仅通过改变非线性因子便可以实现对纳米聚焦场强度和偏振的调控，且强度均达4个数量级，纵向场分量均占总场的54.4％以上。本发明可用作原子力显微镜、扫描近场显微镜等扫描探针显微镜以及针尖增强拉曼光谱仪探针，对纳米传感、纳米光刻和纳米操纵等领域有重要的应用价值。

Description

非线性纳米金属螺旋锥探针
技术领域
本发明属于光学和光电技术领域，涉及纳米聚焦、纳米操纵、纳米光电器件和表面等离子体激发，特别是一种改进的能产生强纵向偏振电场和旋转电场的高空间分辨率、高灵敏度的金属光电探针。
背景技术
提高纳米聚焦的强度和对纳米聚焦矢量场的控制，对于纳米光刻、纳米传感以及纳米操纵和粒子的筛选至关重要，而将这两种效果结合的结构之前有纳米金属螺旋轴锥探针的发明，但需要改变纳米锥和螺旋结构的比例，且当比例较大时相应的就会给材料利用和加工带来难度，两种效果难以很好的兼得。且纳米金属螺旋轴锥探针中的螺旋为线性结构，将金属纳米锥与金属非线性螺旋结构组合进行研究的发明与研究并未提出，仅通过改变非线性因子来进行光场调控可以优化结构和材料。
发明内容
本发明目的是为产生具有更好的旋转特性和高局域强场的纳米聚焦矢量场，提供一种由金属纳米锥结构和金属非线性螺旋结构复合构成的高空间分辨率和高灵敏度的近场非线性纳米金属螺旋锥探针。
本发明提供的高空间分辨率和高灵敏度的近场非线性纳米金属螺旋锥探针，由金属纳米锥结构和金属非线性螺旋结构复合构成，在之前调控效果最好的纳米金属螺旋锥探针中锥和螺旋结构3:1复合的基础上，引入螺旋结构非线性因子N，该探针在柱状坐标系的结构方程h(ρ,θ)为：
由非线性螺旋结构表达式：
可以得到对角度的偏导：
其中：(1)式中系数3代表金属纳米锥的结构占3份，系数1代表金属非线性螺旋的结构占1份；ρ和θ是柱状坐标系下的半径和角度，0≤θ≤2π，0≤ρ≤R，h0是预设的初始高度参数，N是金属非线性螺旋结构的非线性因子，且为大于1小于6的正整数，R是底面半径，h0和R的大小均为纳米量级。
所述的非线性纳米金属螺旋锥探针，结合了金属纳米锥和金属非线性螺旋结构的优势。当入射光(径向偏振光)垂直入射该非线性纳米金属螺旋锥探针底面时，表面等离激元沿着探针表面向顶端传播，在顶端形成纳米聚焦的高局域强场和旋转电场，且产生的纳米聚焦电场的半宽仅为13个nm。
所述的非线性纳米金属螺旋锥探针，仅通过改变非线性螺旋结构中的非线性因子N便可以实现对纳米聚焦电场的调控，非线性因子N越大，得到的聚焦电场强度越大且均达4个数量级，而且径向偏振光入射得到的纵向场分量均占总场的54.4％以上。
本发明的优点和积极效果：
本发明提供的非线性纳米金属螺旋锥探针，在之前调控效果最好的纳米金属螺旋锥探针中锥和螺旋结构3:1复合的基础上，引入螺旋结构非线性因子N，且N为大于1小于6的正整数。当入射光(径向偏振光)垂直入射底面时，表面等离激元沿着探针表面向顶端传播，在顶端形成纳米聚焦的高局域强场和旋转电场，且在探针顶端产生高局域强场的半宽均在13个nm，强度均达4个数量级，纵向偏振分量均在54.4％以上，更有利于提高纳米探测和成像的灵敏度，而且具有较强的旋转特性，从而利于实现纳米粒子的操纵和筛选。更重要的是，仅通过改变金属非线性螺旋结构的非线性因子N便可以实现对纳米聚焦电场的调控，加工材料的利用率比较高。
本发明可用作原子力显微镜、扫描近场显微镜等扫描探针显微镜以及针尖增强拉曼光谱仪的高分辨率和高灵敏度探针。对纳米传感、纳米光刻和纳米操纵等领域有重要的应用价值。
附图说明
图1是金属纳米锥结构和金属非线性螺旋结构复合构成的高空间分辨率和高灵敏度的非线性纳米金属螺旋锥探针结构图。其中：(a)是非线性纳米金属螺旋锥探针的主剖视图；(b)是新型非线性纳米金属螺旋锥探针的右剖视图；(c)是非线性纳米金属螺旋锥探针的俯视图。
图2是非线性因子N＝4，探针总高度h＝800nm时，非线性纳米金属螺旋锥探针产生的纳米聚焦。其中：(a)和(b)分别是电场E在xz和yz平面的强度分布图；(c)是在探针焦点附近所在yz平面上|Ey|2+|Ez|2的电场强度分布和方向分布图；(d)是在探针焦点处所在xy平面上|Er|2＝|Ex|2+|Ey|2的电场强度分布和方向分布图。
图3是非线性因子分别为N＝2,N＝3,N＝4时，非线性纳米金属螺旋锥探针产生的纳米聚焦半宽图。其中：(a)是N＝2时电场E的强度半宽分布图；(b)是N＝3时电场E的强度半宽分布图；(c)是N＝4时电场E的强度半宽分布图。
图4是非线性因子分别为N＝2,N＝3,N＝4时，非线性纳米金属螺旋锥探针焦点处产生的坡印廷矢量图。其中：(a)是N＝2时探针焦点处Sxy的强度分布和方向分布图；(b)是N＝3时探针焦点处Sxy的强度分布和方向分布图；(c)是N＝4时探针焦点处Sxy的强度分布和方向分布图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，本发明提供的高灵敏度和高空间分辨率的近场非线性纳米金属螺旋锥探针由金属纳米锥结构和金属非线性螺旋结构复合构成，其在柱状坐标系的结构方程h(ρ,θ)为：
由非线性螺旋结构表达式：
可以得到对角度的偏导：
其中：(1)式中系数3代表金属纳米锥的结构占3份，系数1代表金属非线性螺旋的结构占1份；ρ和θ是柱状坐标系下的半径和角度，0≤θ≤2π，0≤ρ≤R，h0是预设的初始高度参数，N是金属非线性螺旋结构的非线性因子，且N为大于1小于6的正整数(由公式(3)得到)，R是底面半径，h0和R的大小均为纳米量级。
本发明中非线性纳米金属螺旋锥探针的制作可采用对向靶直流磁控溅射和聚焦离子束刻蚀技术来实现。其具体步骤如下：
(1)利用对向靶直流磁控溅射方法在石英等玻璃衬底上或硅等半导体衬底上溅射金、银、铝、铜等纳金属膜；
(2)利用聚焦离子束刻蚀技术在纳金属膜上刻蚀金属非线性螺旋纳米锥结构。
具体应用实例1
非线性纳米金属螺旋锥探针的具体参数以如下为例：
材料为银，入射波长λinc＝800nm，此时其相对介电常数εm＝-30.1495+0.3932i，选取h0＝λ/4＝200nm，R＝λ/2＝400nm，入射光为径向偏振光，其偏振方向垂直于底面边缘向外，设初始入射光强为1a.u.。
图2是非线性因子N＝4，探针总高度h＝800nm时，非线性纳米金属螺旋锥探针产生的纳米聚焦，总强度为14801a.u.，强度可达4个数量级。其中：(a)和(b)分别是电场E在xz和yz平面的强度分布图；(c)是在探针焦点附近所在yz平面上|Ey|2+|Ez|2的电场强度分布和方向分布图，其方向如图中箭头所示，电场围绕焦点处向外旋转分布；(d)是在探针焦点处所在xy平面|Er|2＝|Ex|2+|Ey|2上的电场强度分布和方向分布图，其方向如图中箭头所示，电场围绕焦点处向外旋转分布。
图3是非线性因子分别为N＝2，N＝3，N＝4时，非线性纳米金属螺旋锥探针产生的纳米聚焦半宽图。其中：(a)是N＝2时电场E的强度半宽分布图；(b)是N＝3时电场E的强度半宽分布图；(c)是N＝4时电场E的强度半宽分布图。半宽均在13个nm，且强度分别为12399a.u.，13914a.u.，14801a.u.，强度成递增增加，对比相同条件下的金属线性螺旋纳米轴锥结构产生的强度最大值10985a.u.，新型非线性纳米金属螺旋锥探针产生的强度最大值在此基础上至少增加了2000a.u.。
图4是非线性因子分别为N＝2,N＝3,N＝4时，非线性纳米金属螺旋锥探针焦点处产生的坡印廷矢量图。其中：(a)是N＝2时探针焦点处Sxy的强度分布和方向分布图；(b)是N＝3时探针焦点处Sxy的强度分布和方向分布图；(c)是N＝4时探针焦点处Sxy的强度分布和方向分布图。由图中可得出焦点处能量均向外旋转分布，即该非线性纳米金属螺旋锥电场具有旋转效果，从而有利于纳米操纵和粒子筛选的实现。
在非线性纳米金属螺旋锥探针底面激发的表面等离激元，沿着探针表面向顶端传播， 在顶端形成纳米聚焦的高局域强场和旋转电场。且对于不同的非线性因子N，可以得到不同的聚焦电场且强度均在4个数量级，纵向场分量均占总场的54.4％以上。与此同时，当非线性因子N越大时，可以得到更强的纳米聚焦和旋转电场，且聚焦半宽均在13个nm，对提高纳米光刻、纳米传感的灵敏度和纳米粒子操纵与筛选方面至关重要。

Claims (3)

1.一种改进的能产生强纵向偏振电场和旋转电场的高灵敏度、高空间分辨率的非线性纳米金属螺旋锥探针，其特征在于该非线性纳米金属螺旋锥探针由金属纳米锥结构和金属非线性螺旋结构复合构成，该探针在柱状坐标系下的结构方程h(ρ,θ)为：
由非线性螺旋结构表达式：
可以得到对角度的偏导：
其中：(1)式中系数3代表金属纳米锥的结构占3份，系数1代表金属非线性螺旋的结构占1份；ρ和θ是柱状坐标系下的半径和角度，0≤θ≤2π，0≤ρ≤R，h0是预设的初始高度参数，R是底面半径，N是金属非线性螺旋结构的非线性因子，且为大于1小于6的正整数，h0和R的大小均为纳米量级；
当入射光垂直入射该非线性纳米金属螺旋锥探针底面时，表面等离激元沿着探针表面向顶端传播，在顶端形成纳米聚焦的高局域强场，且纳米聚焦电场的半宽仅为13个nm。
2.根据权利要求1所述的非线性纳米金属螺旋锥探针，其特征在于由于探针锥面的非线性螺旋结构，在探针顶端形成的纳米聚焦电场具有旋转特性。
3.根据权利要求1或2所述的非线性纳米金属螺旋锥探针，其特征在于仅通过改变金属非线性螺旋结构的非线性因子N，1<N<6，便能够更好的实现对纳米聚焦电场的调控，非线性因子N越大，得到的聚焦电场强度越大，均达4个数量级；而且径向偏振光入射得到的纵向场分量均占总场的54.4％以上。
CN201610137267.4A 2016-03-10 2016-03-10 非线性纳米金属螺旋锥探针 Expired - Fee Related CN105807096B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610137267.4A CN105807096B (zh) 2016-03-10 2016-03-10 非线性纳米金属螺旋锥探针

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610137267.4A CN105807096B (zh) 2016-03-10 2016-03-10 非线性纳米金属螺旋锥探针

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105807096A CN105807096A (zh) 2016-07-27
CN105807096B true CN105807096B (zh) 2018-07-31

Family

ID=56467217

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610137267.4A Expired - Fee Related CN105807096B (zh) 2016-03-10 2016-03-10 非线性纳米金属螺旋锥探针

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN105807096B (zh)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106483340B (zh) * 2016-08-05 2018-11-20 南开大学 对数型非线性金属锥探针
CN106841688B (zh) * 2017-01-19 2019-03-29 南开大学 e指数型非线性纳米金属锥探针
CN106990547B (zh) * 2017-05-16 2021-08-13 南开大学 海豚形元胞圆阵列超表面
CN110208674B (zh) * 2019-05-08 2021-05-25 天津大学 一种用于非线性辐射信号检测的定向耦合近场探针及系统

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101308079A (zh) * 2008-07-17 2008-11-19 浙江大学 用于扫描探针显微镜的螺旋式扫描方法
JP2011215112A (ja) * 2010-04-02 2011-10-27 National Institute Of Advanced Industrial Science & Technology 多探針ａｆｍナノプローバとそれを用いた測定方法
CN103439533A (zh) * 2013-09-05 2013-12-11 南开大学 纳米金属螺旋轴锥探针
WO2014152065A1 (en) * 2013-03-15 2014-09-25 Kla-Tencor Corporation System and method to determine depth for optical wafer inspection
CN105137127A (zh) * 2015-09-28 2015-12-09 南开大学 介质微螺旋锥和金属粮仓形纳米锥复合探针
CN105182544A (zh) * 2015-08-25 2015-12-23 南开大学 单轴对称微螺旋锥器件

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101308079A (zh) * 2008-07-17 2008-11-19 浙江大学 用于扫描探针显微镜的螺旋式扫描方法
JP2011215112A (ja) * 2010-04-02 2011-10-27 National Institute Of Advanced Industrial Science & Technology 多探針ａｆｍナノプローバとそれを用いた測定方法
WO2014152065A1 (en) * 2013-03-15 2014-09-25 Kla-Tencor Corporation System and method to determine depth for optical wafer inspection
CN103439533A (zh) * 2013-09-05 2013-12-11 南开大学 纳米金属螺旋轴锥探针
CN105182544A (zh) * 2015-08-25 2015-12-23 南开大学 单轴对称微螺旋锥器件
CN105137127A (zh) * 2015-09-28 2015-12-09 南开大学 介质微螺旋锥和金属粮仓形纳米锥复合探针

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Hybridly Polarized Nanofocusing of Metallic Helical Nanocone;Dengfeng Kuang，Delun Zhang，Sheng Ouyang;《IEEE Photonics Journal》;20140430;第6卷(第2期);1-9 *
阿基米德螺旋微纳结构中的表面等离激元聚焦;李嘉明等;《物理学报》;20151031;第64卷(第19期);194201-1:194201-7 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN105807096A (zh) 2016-07-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105807096B (zh) 非线性纳米金属螺旋锥探针
CN103439533B (zh) 纳米金属螺旋轴锥探针
Neubrech et al. Resonances of individual metal nanowires in the infrared
Permyakov et al. Probing magnetic and electric optical responses of silicon nanoparticles
Li et al. Near-field enhanced ultraviolet resonance Raman spectroscopy using aluminum bow-tie nano-antenna
CN105137127B (zh) 介质微螺旋锥和金属粮仓形纳米锥复合探针
Sun et al. Near‐field scanning Raman microscopy using apertureless probes
Ranjan et al. Localized surface plasmon resonance anisotropy in template aligned silver nanoparticles: A case of biaxial metal optics
Jarrett et al. Optimization of nonlinear optical localization using electromagnetic surface fields (NOLES) imaging
Noyan et al. Time-resolved orbital angular momentum spectroscopy
Cao et al. Cylindrical vector beams of light from an electrically excited plasmonic lens
Minin et al. Experimental verification of a plasmonic hook in a dielectric Janus particle
Arenal et al. High-angular-resolution electron energy loss spectroscopy of hexagonal boron nitride
Calandrini et al. Mapping the electromagnetic field confinement in the gap of germanium nanoantennas with plasma wavelength of 4.5 micrometers
Ye et al. Optical and electrical mappings of surface plasmon cavity modes
Bauer et al. Towards an optical far-field measurement of higher-order multipole contributions to the scattering response of nanoparticles
Tizei et al. Monolayer and thin h–BN as substrates for electron spectro-microscopy analysis of plasmonic nanoparticles
CN106483340B (zh) 对数型非线性金属锥探针
Huang et al. Manipulating valley-polarized photoluminescence of MoS2 monolayer at off resonance wavelength with a double-resonance strategy
Xu et al. Development of a laser-based angle-resolved-photoemission spectrometer with sub-micrometer spatial resolution and high-efficiency spin detection
Portela et al. Spectral tunability of realistic plasmonic nanoantennas
Ezugwu Synthesis and characterization of copper nanoparticles and copper-polymer nanocomposites for plasmonic photovoltaic applications
Cao et al. Directional light beams by design from electrically driven elliptical slit antennas
CN106841688B (zh) e指数型非线性纳米金属锥探针
James et al. The plasmonic J-pole antenna

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20180731

Termination date: 20190310