CN106841688A - e指数型非线性纳米金属锥探针 - Google Patents

Abstract

一种高空间分辨率、高灵敏度、能产生强纵向偏振电场并能够对电场强度进行调节的e指数型非线性纳米金属锥探针。该探针由e指数型金属纳米非线性锥形结构构成，当入射光(特别是径向偏振光)照射e指数型非线性纳米金属锥探针底面时，在金属的表面激发出表面等离激元，沿非线性纳米金属锥弯曲表面传播，并压缩至顶端形成高度局域增强的电磁场分布，从而得到强纳米聚焦。本发明可用作扫描近场显微镜、原子力显微镜等扫描探针显微镜以及针尖增强拉曼光谱仪的探针，在单分子成像、热辅助磁记录、纳米传感、纳米成像、纳米光刻和纳米操纵等诸多领域有重要应用价值。

Description

e指数型非线性纳米金属锥探针

技术领域

本发明属于光学和光电技术领域，涉及纳米光电器件、表面等离子体激发、纳米聚焦和矢量场，是一种高空间分辨率、高灵敏度、能产生强纵向偏振电场，并且能够根据需要进行电场强度调节的金属光电探针。

背景技术

产生具有大纵向偏振电场分量的纳米聚焦强场，对于提高单分子成像、热辅助磁记录、纳米光刻及诱发热电子至关重要。目前已有多种增强纳米聚焦的金属结构，其中最常用的是金属纳米线性锥形结构，但是线性纳米结构的聚焦存在局限性，不能通过改变曲率半径对光场进行聚焦，不具有非线性特性，使得对表面等离激元的研究和应用存在局限性。

研究表明，若纳米金属锥的曲率增大(即非线性程度增加)，则对于聚焦形成的电场强度有明显的增大效果。而目前已经被提出的对数型的非线性结构对于纳米聚焦场的增强效果也只能达到有限的程度(4个数量级)。

发明内容

本发明目的是为产生具有大纵向偏振电场分量的纳米聚焦矢量场，对金属锥的结构进行改进，提供一种高空间分辨率和高灵敏度的e指数型非线性纳米金属锥探针。

本发明提供的高空间分辨率和高灵敏度的e指数型非线性纳米金属锥探针，由e指数型金属纳米非线性锥形结构构成，该探针在柱状坐标系的结构方程h(ρ,θ)为：

其中：ρ和θ分别是柱状坐标系下的半径和角度，h₀是预设的高度参数，r₀是预设的底面半径，h₀和r₀的大小在纳米量级。a为e指数型非线性因子，且0.04≤a≤0.055，a的变化幅度为0.005；Δh是高度调制因子，且4≤Δh≤12，Δh取整数。

所述的e指数型非线性纳米金属锥探针，当入射光(特别是径向偏振光)照射e指数型纳米金属锥探针底面时，在金属表面激发表面等离激元，并沿着e指数型非线性纳米金属锥的弯曲表面向顶端传播，并不断压缩和聚焦，在顶端形成高度局域的纳米聚焦强场。

所述的e指数型非线性纳米金属锥探针，由于该探针的结构为e指数型非线性结构，表面等离激元沿曲面表面传播在顶端形成强度达5个数量级的纳米聚焦电场。

所述的e指数型非线性纳米金属锥探针，在金属材料和其结构参数确定的条件下，通过改变e指数型非线性因子a和高度调制因子Δh，能够得到不同强度增强的纳米聚焦场，且强度均能达到5个数量级。

附表：a与Δh的取值与的取值的对照关系表：

本发明的优点和积极效果：

本发明提供的e指数型非线性纳米金属锥探针，当入射光(特别是径向偏振光)照射探针底面时，在其底面的边缘激发表面等离激元，等离激元沿着锥的弯曲表面向顶端传播，并不断旋转、压缩和聚焦，在顶端形成纳米聚焦的高局域强电场。电场的强度可以达到5个数量级，比另一种非线性的结构——对数型的强度高出一个数量级。该聚焦电场具有很大的纵向偏振分量(占总强度的50.22％～50.55％)，有利于提高纳米探测和成像的灵敏度，有利于实现纳米粒子的操纵和筛选。

另一方面，通过改变e指数型非线性纳米金属锥结构的非线性因子a和高度调制因子Δh，可以实现纳米聚焦电场的调控，这样便可以根据电场强度的实际需要、工艺条件、成本要求等等选择适当结构参数的纳米金属锥。

本发明可用作扫描近场显微镜、原子力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。

本发明在单分子成像、热辅助磁记录、纳米传感、纳米成像、纳米光刻和纳米操纵等诸多领域有重要应用价值。

附图说明

图1是高空间分辨率和高灵敏度的e指数型非线性金属锥探针结构图。其中：(a)是e指数型非线性金属锥探针的主剖视图；(b)是e指数型非线性金属锥探针的右剖视图；(c)是e指数型非线性金属锥探针的俯视图。

图2是当预设高度h₀＝600nm，预设底面半径r₀＝400nm时，e指数型非线性金属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，其在探针顶端形成纳米聚焦；(c)是在探针焦点附近所在xz平面上|E|²的强度分布。

图3是当预设高度h₀＝600nm，预设底面半径r₀＝400nm时,a在0.035至0.06分别取值，Δh在4至12分别取值，e指数型非线性纳米金属锥的增强因子的变化曲线。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，一种高空间分辨率、高灵敏度、能产生强纵向偏振电场的e指数型纳米金属非线性锥形探针，该探针由e指数型金属纳米非线性锥形结构构成，该探针在柱状坐标系下的结构方程h(ρ,θ)为：

其中：ρ和θ分别是柱状坐标系下的半径和角度，h₀是预设的高度参数，r₀是预设的底面半径，h₀和r₀的大小在纳米量级。a为e指数型非线性因子，且0.04≤a≤0.055,(a的变化幅度为0.005)，Δh是高度调制因子，且4≤Δh≤12，Δh取整数。

本发明中e指数型非线性金属锥探针的制作可采用电化学的方法来实现。其具体步骤如下：

(1)用质量分数为40％的氯化铁溶液做电解液，铜丝做阳级，铂做阴级，电源电压调至17v至20v之间，构成电化学系统；

(2)利用精密位移台控制金属丝的精密移动以完成最终的纳米金属锥的制作。

具体应用实例1

e指数型非线性金属锥探针的具体参数以如下为例：

材料为银，入射波长λ_inc＝800nm，此时其相对介电常数ε_m＝-30.1495+0.3932i，选取预设高度h₀＝600nm，预设底面半径r₀＝400nm，入射光为径向偏振光，设初始入射光强为1a.u。

图2是当预设高度h₀＝600nm，预设底面半径r₀＝400nm；调制因子a＝0.04，Δh＝8时e指数型非线性纳米金属锥探针产生的纳米聚焦，其电场的最大强度为188230a.u.，其纵向分量|E_z|²为95125a.u.，占50.54％。图2中(a)和(b)分别是电场E在xz和yz平面的强度分布图，其在探针顶端形成纳米聚焦；(c)是在探针焦点附近所在xz平面上|E|²的强度分布。

图3是当预设高度h₀＝600nm，预设底面半径r₀＝400nm；调制因子a在0.035至0.06分别取值，Δh在4至12分别取值，e指数型非线性纳米金属锥的增强因子的变化曲线。

Claims (3)

1.一种能提高空间分辨率和灵敏度以及能产生强纵向偏振电场的e指数型非线性纳米金属锥探针，其特征在于该e指数型非线性纳米金属锥探针由非线性锥形结构构成，该探针在柱状坐标系下的结构方程h(ρ,θ)为：

$h=h_0(e^{-a\·\frac{\mathrm{\ρ}}{5}}-e^{-a\·\frac{r_0}{5}})-5\mathrm{\Δ}h$

其中：ρ和θ分别是柱状坐标系下的半径和角度，h₀是预设的高度参数，r₀是预设的底面半径，h₀和r₀的大小在纳米量级；a为e指数型非线性因子，且0.04≤a≤0.055，a的变化幅度为0.005；Δh是高度调制因子，且4≤Δh≤12，Δh取整数。

2.根据权利要求1所述的e指数型非线性纳米金属锥探针，其特征在于该探针的e指数型非线性结构，当入射光照射e指数型非线性纳米金属锥探针底面时，在金属表面激发表面等离激元，表面等离激元沿e指数弯曲表面传播，在顶端形成高强度纳米聚焦光场。

3.根据权利要求1或2所述的e指数型非线性纳米金属锥探针，其特征在于在金属材料和结构参数确定的条件下，通过改变e指数型非线性因子a和高度调制因子Δh，能够得到不同强度增强的纳米聚焦场，且强度均能达5个数量级。