CN106159425B - 一种用于增强检测信号的对称v形金纳米光学天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于增强检测信号的对称V形金纳米光学天线，包括至少一组对称结构，所述对称结构由两个V形结构相对称地设置构成，所述V形结构的边宽范围为6nm‑14nm，V形结构的边长范围为80nm‑120nm，V形结构的夹角范围为30°‑90°，所述V形金纳米光学天线的间隔范围为2nm‑10nm。本发明天线通过多重V形结构耦合的方法可以在不改变V形结构夹角的情况下进一步提高电磁场增强因子，较大电磁场增强因子的产生使得本发明可以很好的应用在单分子的检测中来提高检测信号的强度，从而设计出较高局域场增强的纳米天线，使得本发明天线可以很好的用于增强单分子检测信号。
Description
技术领域
本发明涉及纳米光学天线领域，具体说是涉及一种用于增强检测信号的对称V形金纳米光学天线。
背景技术
金属纳米天线在近红外光频率范围内可将光波电磁场能量进行汇聚并应用于电磁场能量的接受和传送。在偶极天线中，光波电磁场与天线中的等离子体相互作用，引起等离子体振荡，在天线回路中产生电流，当等离子体振荡频率与入射光波一致时会产生局域表面等离基元共振，使得纳米天线局域电磁场增强。基于上述特性，纳米天线在许多领域颇受青睐，如光电检测、传感器技术、热量聚集、光谱学和纳米成像等。纳米制造技术的发展为新兴纳米光电子器件提供了加工成型的机会。在过去几年里，制备出能够产生较大电磁场增强的纳米结构并在热点区域实现单分子的检测，已经成为研究的热门方向。
表面增强拉曼散射光谱信号强度由电磁场增强大小所决定，所增强的区域指空间中金属纳米颗粒耦合所产生急剧变化的电场区域。由于纳米天线在入射光电磁场束缚和增强方面的非凡能力，最近许多表面增强拉曼散射的理论研究把研究重心放在纳米天线上。纳米天线中心区域的场增强因子可以被纳米天线的尺寸、形状、间隔距离、入射光极化角度所调控。过去几年里，许多研究小组通过提高纳米天线的尖锐度和减小耦合距离来进行增强因子的提高。由于实验条件的限制，纳米天线的尖锐度不可无限制的提高，耦合距离也没有办法无限制的进行缩小调控。因此怎样通过其它的方式进行纳米天线电磁场增强因子的进一步提高是需要进一步解决的问题。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种用于增强检测信号的对称V形金纳米光学天线，本发明天线通过多重V形结构耦合的方法可以在不改变V形结构夹角的情况下进一步提高电磁场增强因子，较大电磁场增强因子的产生使得本发明可以很好的应用在单分子的检测中来提高检测信号的强度。本发明基于时域有限差分(FiniteDifference Time Do main，FDTD)算法和局域表面等离基元理论研究分析了对称V形纳米光学天线的不同参数大小如V形结构的边宽、V形结构的边长、V形结构的角度、对称V形结构的间隔对纳米光学天线电荷分布和场增强特性的影响，从而选择合适的V形结构参数，接着运用多重结构耦合的方式实现了对纳米天线中心区域场强度的进一步增强。从而设计出较高局域场增强的纳米天线，使得本发明天线可以很好的用于增强单分子检测信号。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种用于增强检测信号的对称V形金纳米光学天线，包括至少一组对称结构，所述对称结构由两个V形结构相对称地设置构成，所述V形结构的边宽范围为6nm-14nm，V形结构的边长范围为80nm-120nm，V形结构的夹角范围为30°-90°，所述V形金纳米光学天线的间隔范围为2nm-10nm。
所述V形金纳米光学天线的背景折射率为常数1。
所述V形结构的厚度为8nm。
所述V形结构由金纳米材料构成。
所述对称结构设置有两组，同侧的V形结构间的距离范围为5nm-50nm。
中心的两个V形结构的间距为2nm。
下面是研究通过改变本发明天线的结构参数对场增强影响的几个方案：
(1)在垂直于对称V形金纳米天线的上方施加激励源，设定V形结构厚度为8nm，边宽为10nm，边长为100nm，间隔为2nm，V形结构的夹角由30°逐渐递增到90°。依据上述参数设定对本发明天线进行仿真并选择天线间隔中心处为场强增强因子观测点，记录该点处的相对电场增强因子，以天线下表面电荷分布情况来探究电荷分布和场增强因子之间的关系。当夹角为30°时，V形结构顶端区域电荷密度值最大，此时中心区域电场增强因子也最大。随着夹角的减小使得越来越多的电荷汇集于顶端区域，顶端区域电荷密度值也决定了中心区域电场增强因子的大小。通过对角度的调控可以实现对纳米天线分布电荷的调控进而调控近场增强因子。
(2)在垂直于对称V形金纳米天线的上方施加激励源，设定V形结构厚度为8nm，边长为100nm，间隔为2nm，角度为60°，V形结构的边宽由6nm逐渐递增到14nm。依据上述参数设定对本发明天线进行仿真并选择天线间隔中心处为场强增强因子观测点，记录该点处的相对电场增强因子，以天线下表面电荷分布情况来探究电荷分布和场增强因子之间的关系。当宽度为14nm时，V形结构顶端区域电荷密度值最大，此时中心区域电场增强因子也最大。随着宽度的增加使得越来越多的电荷汇集于顶端区域，顶端区域电荷密度值也决定了中心区域电场增强因子的大小。通过对V形结构宽度的调控可以实现对纳米天线分布电荷的控制进而也可以调控近场增强因子，和角度的调控作用相比宽度的调控力度没有角度对近场增强因子的调控力度大。
(3)在垂直于对称V形金纳米天线的上方施加激励源，设定V形结构厚度为8nm，宽度为10nm，间隔为2nm，角度为60°，V形结构的边长由80nm逐渐递增到120nm。依据上述参数设定对本发明天线进行仿真并选择天线间隔中心处为场强增强因子观测点，记录该点处的相对电场增强因子，以天线下表面电荷分布情况来探究电荷分布和场增强因子之间的关系。当长度为120nm时，V形结构顶点处电荷密度值不是最大，但顶端区域整体的电荷密度较大，以至于中心区域电场增强因子较大。通过对V形结构边长的调控可以实现对纳米天线分布电荷的控制进而也可以调控近场增强因子，其调控力度较小。
(4)在垂直于对称V形金纳米天线的上方施加激励源，设定V形结构厚度为8nm，宽度为10nm，边长为100nm，角度为60°，对称V形金纳米天线的间隔由2nm逐渐递增到10nm。依据上述参数设定对本发明天线进行仿真并选择天线间隔中心处为场强增强因子观测点，记录该点处的相对电场增强因子，以天线下表面电荷分布情况来探究电荷分布和场增强因子之间的关系。随着间隔距离的变化，V形结构顶端处电荷密度值变化特别小，但是中心区域的电场增强因子发生巨大变化。可见距离对中心区域电场增强因子有着巨大的影响。通过对对称V形金纳米结构间隔的调控可以对中心区域电场增强因子达到很好的控制作用。
(5)在垂直于多重V形金纳米天线的上方施加激励源，设定V形结构厚度为8nm，宽度为10nm，边长为100nm，角度为60°，间隔为2nm，多重V形金纳米天线中后续V形结构与前面V形结构的距离从5nm逐渐增大到55nm。随着距离的不同后方V形结构顶端区域出现不同的性质的电荷，后续V形结构对整个多重V形纳米天线中心区域电场增强因子的影响也将会出现相应的效果。当距离为35nm时得到了对中心区域电场增强因子较大的多重V形纳米结构天线。
通过以上研究方案可知本发明天线提供了对电场增强的一种有效途径。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
对称V形金纳米天线在中心区域可以产生很大的场增强因子，通过对V形结构进行多重对称耦合的方式进一步提高了中心区域的场增强因子，相比于单对V形纳米天线增强因子倍数提高了50多，多重V形结构对称耦合的方式提供了对电场增强的一种有效途径。本发明在中心区域产生较强的电磁场增强，这使得本发明在拉曼散射单分子检测信号的增强应用中有着重要价值。
附图说明
图1(a)是本发明天线的俯视结构示意图。
图1(b)是本发明对称V形结构夹角对纳米天线表面电荷分布调制的效果图。
图1(c)是本发明V形结构不同夹角下天线在x横轴上的电荷密度变化示意图。
图1(d)是本发明V形结构不同角度下中心区域电场增强因子变化示意图。
图2(a)是本发明V形结构边宽对天线表面电荷分布调制的效果图。
图2(b)是本发明V形结构不同边宽下天线x横轴上的电荷密度变化示意图。
图2(c)是本发明V形结构不同边宽下中心区域电场增强因子变化示意图。
图3(a)是本发明V形结构边长对天线表面电荷分布调制的效果图。
图3(b)是本发明V形结构不同边长下天线x横轴上的电荷密度变化示意图。
图3(c)是本发明V形结构不同边长下中心区域电场增强因子变化示意图。
图4(a)是本发明V形结构间隔对纳米天线表面电荷分布调制的效果图。
图4(b)是本发明V形结构不同间隔下V形纳米天线x横轴上的电荷密度变化示意图。
图4(c)是本发明V形结构不同间隔下中心区域电场增强因子变化示意图。
图5(a)是本发明多重对称结构下的俯视结构示意图。
图5(b)是本发明多重对称结构下V形结构间不同距离时对多重纳米天线表面电荷分布调制的效果图
图5(c)是本发明多重对称结构下V形结构间不同距离时天线在x横轴上的电荷密度变化示意图。
图6是本发明多重对称结构下V形结构间不同距离时中心区域电场增强因子变化示意图。
附图标记：L-边长 W-边宽 G-间隔 α-夹角 D-距离
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述：
如图1(a)所示，一种用于增强检测信号的对称V形金纳米光学天线，由一组对称结构即两个对称的V形结构组合而成，本实施例中定义多重耦合V形金纳米天线由两组对称结构即四个对称的V形结构组合而成。V形结构的边宽范围为6nm-14nm，V形结构边长范围为80nm-120nm，V形结构夹角范围为30°-90°，对称V形金纳米光学天线间隔范围为2nm-10nm，V形结构的厚度为8nm。
通过时域有限差分法算法和局域表面等离基元理论仿真分析本发明纳米光学天线的特性：
仿真中激励源采用平面波，沿垂直于对称V形金纳米天线的上表面方向垂直入射到纳米天线，电场方向平行于Y轴，计算波长范围为500nm-1500nm。计算中采用材料库中的Au(Gold)-Johnson and Christy材料作为金属介质。
采用有限时域差分算法，吸收边界条件选择完美匹配层(PML)。分析对称V形纳米天线结构的角度、宽度和边长时选择的网格精度为1.5×1.5×1.5nm,分析对称V形纳米天线结构的间隔时设置网格精度为1×1×1nm。当分析多重结构耦合时设置网格精度为1×1×1nm。
为了研究V形结构的夹角对电荷及近场电场分布的影响，设定入射光电场方向平行于Y轴、V形纳米天线结构的边宽W＝10nm，边长L＝100nm，间隔G＝2nm，厚度8nm不变，夹角角度α由30°逐渐递增到90°。依据上述参数的设定对本发明天线进行仿真并选择天线间隔中心处为场强增强因子观测点，记录该点处的相对电场增强因子，以天线下表面电荷分布情况来探究电荷分布和场增强因子之间的关系。电荷分布仿真结果如图1(b)所示，为了更为直观的描述夹角对电荷分布的影响，给出了图1(c)。从图1(b)和图1(c)可以看出，本发明天线随着夹角的减小使得更多的电荷汇集于V形结构的顶端区域，顶端区域电荷量的增多将使得天线中心区域电场增强因子得到巨大增强。为了探究电荷分布的不同，图1(d)给出了不同角度下中心区域电场增强因子变化示意图。从图1(d)中可以看出，本发明天线具有较强的电场增强效应，中心区域电场增强因子随着角度的减小剧烈的增加，从根本上来说是由于角度的减小使得对称V形纳米天线顶端区域汇集更多的电荷从而使得纳米天线中心区域电场增强因子的增加。
为了研究V形结构的边宽对电荷及近场电场分布的影响，设定入射光电场方向平行于Y轴、V形纳米天线结构的夹角α为60°,边长L＝100nm，间隔G＝2nm，厚度8nm不变，边宽宽度由6nm逐渐递增到14nm。依据上述参数的设定对本发明天线进行仿真并选择天线间隔中心处为场强增强因子观测点，记录该点处的相对电场增强因子，以天线下表面电荷分布情况来探究电荷分布和场增强因子之间的关系。电荷分布仿真结果如图2(a)所示，为了更为直观的描述边宽对电荷分布的影响，给出了图2(b)。从图2(a)和图2(b)可以看出，本发明天线随着边宽的增加使得更多的电荷汇集于V形结构的顶端区域，顶端区域电荷量的增多将使得天线中心区域电场增强因子得到增强。为了探究电荷分布的不同，图2(c)给出了不同边宽下中心区域电场增强因子变化示意图。从图2(c)中可以看出随着边宽变大，中心区域电场增强因子曲线发生了蓝移，中心区域电场增强因子随着边宽的增大而增加，从根本上来说是由于边宽的增大使得V形纳米天线顶端区域汇集更多的电荷从而使得纳米天线中心区域电场增强因子的增加。
为了研究V形结构的边长对电荷及近场电场分布的影响，设定入射光电场方向平行于Y轴、V形纳米天线结构的夹角α为60°,边宽W＝10nm，间隔G＝2nm，厚度8nm不变，边长长度由80nm逐渐递增到120nm。依据上述参数的设定对本发明天线进行仿真并选择天线间隔中心处为场强增强因子观测点，记录该点处的相对电场增强因子，以天线下表面电荷分布情况来探究电荷分布和场增强因子之间的关系。电荷分布仿真结果如图3(a)所示，为了更为直观的描述边长对电荷分布的影响，给出了图3(b)。从图3(a)和图3(b)可以看出，本发明天线随着边长的增加顶端区域电荷密度并没有显著增加，但随着边长的增加使得顶端区域的范围变大。最终的作用结果如图3(c)中所示，边长的增加使得V形纳米天线顶端电荷区域范围增加从而使得纳米天线中心区域电场增强因子有着细微的增加。
为了研究对称V形金纳米光学天线的间隔对电荷及近场电场分布的影响，设定入射光电场方向平行于Y轴、V形纳米天线结构的夹角α为60°,边宽W＝10nm，边长L＝100nm，厚度8nm不变，间隔距离由2nm逐渐递增到10nm。依据上述参数的设定对本发明天线进行仿真并选择天线间隔中心处为场强增强因子观测点，记录该点处的相对电场增强因子，以天线下表面电荷分布情况来探究电荷分布和场增强因子之间的关系。电荷分布仿真结果如图4(a)所示，为了更为直观的描述间隔对电荷分布的影响，给出了图4(b)。从图4(a)和图4(b)可以看出，本发明天线随着间隔距离的增加V形结构的顶端区域的电荷密度并没有明显的变化。图4(c)给出了不同间隔距离下中心区域电场增强因子变化示意图。从图4(b)和(c)可以看出随着间隔距离的增加，对称V形金纳米天线顶端区域相对电荷密度并没有明显的变化，但天线中心区域的电场增强因子有着剧烈的减小。对称V形金纳米天线中V形结构之间的耦合距离对中心区域电场增强因子有着关键性的影响。
最后，如图5(a)所示，为多重V形金纳米天线的结构示意图，为了研究多重V形金纳米天线不同距离对电荷及近场电场分布的影响，设定入射光电场方向平行于Y轴、V形纳米天线结构的夹角α为60°,边宽W＝10nm，边长L＝100nm，间隔G＝2nm，厚度8nm不变，后续V形纳米结构与前方V形纳米结构的距离D由5nm增加到55nm。依据上述参数的设定对本发明天线进行仿真并选择天线间隔中心处为场强增强因子观测点，记录该点处的相对电场增强因子，以天线下表面电荷分布情况来探究电荷分布和场增强因子之间的关系。电荷分布仿真结果如图5(b)所示，为了更为直观的描述后续V形结构与前方V形结构的距离对电荷分布的影响，给出了图5(c)。从图5(b)和图5(c)可以看出多重V形结构的耦合随着距离D的不同在后续V形结构顶端区域将产生不同性质的电荷，不同性质的电荷对纳米天线中心区域电场增强因子有着不同的影响。
图6为随着多重V形金纳米天线距离即同侧的V形结构间的距离范围D从5nm增加到50nm时，中心区域最大电场增强因子的变化示意图，从图6中可以看出电场增强因子的变化曲线和图5(b)中电荷密度的变化有着一致性，通过从电场增强本质上的电荷分布机制可以很好的解释电场增强因子变化的原因。通过多重V形金纳米天线结构可以进一步对中心区域电场因子进行调控，在合适的距离D下可以进一步增大中心区域电场增强因子，这为进一步增强电场增强因子提供了一种新的技术途径。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种用于增强检测信号的对称V形金纳米光学天线，其特征在于，包括至少一组对称结构，所述对称结构由两个V形结构相对称地设置构成，所述两个V形结构的尖端相对设置；所述V形结构的边宽范围为6nm-14nm，V形结构的边长范围为80nm-120nm，V形结构的夹角范围为30°-90°，所述两个V形结构的间隔范围为2nm-10nm，所述对称结构设置有两组，同侧的V形结构间的距离范围为5nm-50nm。
2.根据权利要求1所述一种用于增强检测信号的对称V形金纳米光学天线，其特征在于，所述V形金纳米光学天线的背景折射率为常数1。
3.根据权利要求1所述一种用于增强检测信号的对称V形金纳米光学天线，其特征在于，所述V形结构的厚度为8nm。
4.根据权利要求1或3所述一种用于增强检测信号的对称V形金纳米光学天线，其特征在于，所述V形结构由金纳米材料构成。
5.根据权利要求1所述一种用于增强检测信号的对称V形金纳米光学天线，其特征在于，中心的两个V形结构的间距为2nm。
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|---|---|---|---|---|
| US20140085693A1 (en) * | 2012-09-26 | 2014-03-27 | Northeastern University | Metasurface nanoantennas for light processing |
-
2016
- 2016-08-30 CN CN201610776663.1A patent/CN106159425B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101776603A (zh) * | 2010-01-26 | 2010-07-14 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种利用人工金属微纳结构实现拉曼散射增强的方法 |
| CN102590143A (zh) * | 2012-03-26 | 2012-07-18 | 江苏大学 | 一种微结构光纤表面等离子体共振传感器 |
| CN104953269A (zh) * | 2015-06-29 | 2015-09-30 | 天津大学 | 一种双蝶形银纳米光学天线 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| Plasmonic Laser Antennas and Related Devices;Ertugrul Cubukcu.et;《 IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics 》;20080411;正文第3页右栏第1-3段，第4页左栏最后1段，第5页左栏第1段 * |
| Spectroscopy of Individual V-shaped Silver Nanoantennas;Nina Meinzer.et;《2008 Conference on Lasers and Electro-Optics and 2008 Conference on Quantum Electronics and Laser Science》;20080509;正文第1页第1段至第2页第3段 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN106159425A (zh) | 2016-11-23 |
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