CN108333652A - 一种基于硅十字架二聚体的单向性光学纳米天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光学纳米天线，具体涉及一种基于硅十字架二聚体的单向性光学纳米天线，包括两个对称分布的十字架，十字架的材质为硅，两个十字架之间的距离D为5 nm；十字架的截面尺寸L1为200nm，L2为150 nm，W1为60nm，W2为90nm，其高度H为90 nm。这种结构会激发出不同的表面等离子体共振模式：电偶极、电四极共振和磁偶极、磁四极共振；通过多级分解的方法，分析了纳米天线中不同共振模式的响应对散射特性的影响，这些共振模式的耦合作用导致了高介电材料硅十字架二聚体结构磁热点的产生和远场单向性散射；还论证了在电、磁偶极源辐射下对纳米天线不同共振模式响应特性的影响并有一定的调制作用。

Description

一种基于硅十字架二聚体的单向性光学纳米天线

技术领域：

本发明涉及一种光学纳米天线，具体涉及一种基于硅十字架二聚体的单向性光学纳米天线。

背景技术：

近年来，光和纳米尺度物质的相互作用在基础理论和实验方面的研究都得到了迅速发展，随着纳米光学的不断成熟，纳米科学可作为一种新的技术控制和利用纳米量级的物质。而光学纳米天线可以超过衍射极限，在纳米量级控制光场。纳米天线是一种可将近场局域光场和远场辐射光场进行高效自由转换的纳米尺度装置，能够实现集成光学器件上光子信息传输，因此纳米光学天线在太阳能电池、量子信息技术、光学和生物感测等领域有着广泛应用，可知设计出拥有良好远场特性的纳米光学天线具有非常重要的研究价值。纳米光学天线是金属纳米结构中一个重要的研究方向，然而由于金属材料在可见光区域存在高损耗，只有很少一部分基于局域表面等离激元的应用在实际中被实现。同金属纳米材料相比，高折射率电介质纳米颗粒在可见光区域的损耗非常小，且能够产生金属材料所不具备的电磁类型光学共振，这些优点促使对高介电纳米天线散射特性的研究受到广泛关注。

Kerker等人通过研究磁性纳米材料的光散射效应，发现纳米颗粒所支持的电磁模式能够实现对光散射方向的控制。在光与物质的相互作用中，由于磁偶极子跃迁和电偶极子跃迁相比有几个数量级的差别，因此磁场效应常常被忽略。然而光学磁共振特性在光处理中起着越来越重要的作用，通过构建合理结构可实现纳米材料在可见、近红外以及微波波段的零后向散射。另外，增强磁偶极子发射在纳米激光器、荧光增强和传感器等领域有着广阔的应用前景。Crozier 等人从实验和仿真两方面研究了棒状、圆盘状、三角形等不同形状、不同结构、不同材料的光学纳米天线在中红外波段的局域场增强特性。研究发现，场增强最明显的是棒状纳米光学天线，并且由于其非对称的形状特性，棒状纳米天线的光学特性不同于其他的光学纳米天线。将该棒状结构复合十字架二聚体纳米结构应用于增强磁偶极子发射具有很好的创新性。

发明内容：

本发明的目的是提出了一种新颖的可用于调节远场方向特性的光学微纳天线结构，该纳米天线是由高介电材料硅十字架二聚体构成的，在入射平面波的激发下，波矢平行于x轴方向，偏振平行于y轴方向。这种结构是一类既支持电共振又支持磁共振的结构，通过多级分解的方法，分析了纳米天线中不同共振模式的响应对散射特性的影响，这些共振模式的耦合作用导致了高介电材料硅十字架二聚体结构磁热点的产生和远场单向性散射。本发明还论证了在电、磁偶极源辐射下对纳米天线不同共振模式的响应特性的影响并有一定的调制作用，为实现远场单向性可控的纳米天线提供了坚实的理论基础。

本发明采用的技术方案为：一种基于硅十字架二聚体的单向性光学纳米天线，其特征在于：包括两个对称分布的十字架，所述十字架的材质为硅，两个十字架之间的距离D为3-8nm；所述十字架的截面尺寸中横杆长度L1为180-230 nm，纵杆长度L2为130-170nm，横杆宽度W1为45-70nm，纵杆宽度W2为75-115nm，厚度H为70-110nm。

进一步地，所述两个十字架之间的距离D为5nm；所述十字架的截面尺寸 L1为200nm，L2为150nm，W1为60nm，W2为90nm，厚度H为90nm。

进一步地，所述硅十字架纳米天线的背景折射率为常数1，十字架二聚体在外场的激发下，产生局域表面等离子体共振现象。

进一步地，所述硅十字架纳米天线的入射光为平面波，波矢平行于x轴方向，偏振平行于y轴方向。

进一步地，所述硅十字架纳米天线支持电偶极、电四极共振和磁偶极、磁四极共振中的任意一种。

进一步地，所述硅十字架二聚体光学纳米天线中不同共振模式响应的耦合作用导致高介电材料硅十字架二聚体结构磁热点的产生。

本发明的有益效果：

(1)、提出的高介电材料硅十字架二聚体纳米光学天线结构可以同时支持电、磁共振模式(MD，MQ，ED，EQ，TD)，这些模式的耦合作用导致多个磁热点的产生。

(2)、硅十字架纳米天线可在不同波长位置处实现单向前向散射，后向远场辐射能量基本为零，即可实现在不同工作频率下的远场单向性散射，其高度可调节的光学特性为纳米天线设计提供了坚实的理论基础。

附图说明：

图1是本发明的立体结构示意图；

图2是本发明的截面示意图；

图3是纳米天线不同共振模式的多极子展开仿真图；

图4是纳米天线前向散射和前向散射/后向散射曲线图；

图5是光学纳米天线在波长为405nm时的电场增强轮廓图及电荷分布图；

图6是光学纳米天线在波长为484nm时的电场增强轮廓图及电荷分布图；

图7是光学纳米天线在波长为667nm时的电场增强轮廓图及电荷分布图；

图8是光学纳米天线在波长为789nm时的电场增强轮廓图及电荷分布图；

图9是纳米天线在波长为405nm时的磁场增强轮廓图；

图10是纳米天线在波长为484nm时的磁场增强轮廓图；

图11是纳米天线在波长为667nm时的磁场增强轮廓图；

图12是纳米天线在波长为789nm时的磁场增强轮廓图；

图13是纳米天线在波长为434nm时的二维远场分布图；

图14是纳米天线在波长为612nm时的二维远场分布图；

图15是纳米天线在波长为857nm时的二维远场分布图；

图16是纳米天线在波长为434nm时下的三维远场分布图；

图17是纳米天线在波长为612nm时的三维远场分布图；

图18是纳米天线在波长为857nm时的三维远场分布图；

图19是纳米天线在电偶极源激发下的多极子展开散射图；

图20是纳米天线在磁偶极源激发下的多极子展开散射图。

具体实施方式：

实施例一

参照各图，一种基于硅十字架二聚体的单向性光学纳米天线，包括两个对称分布的十字架，所述十字架的材质为硅，所述两个十字架之间的距离D为5 nm；所述十字架的截面尺寸L1为200nm，L2为150nm，W1为60nm，W2为90nm，厚度H为90nm；所述硅十字架纳米天线的背景折射率为常数1，十字架二聚体在外场的激发下，产生局域表面等离子体共振现象；所述硅十字架纳米天线的入射光为平面波，波矢平行于x轴方向，偏振平行于y轴方向。

通过有限元法算法和多极分解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，电场方向平行于y轴方向，入射光方向平行于x轴方向，计算波长范围为400nm-1000nm。计算中采用材料库中的Si(Silicon)-Palik 材料作为高介电材料。

纳米天线工作在可见光和近红外波段，支持局域表面等离子体共振特性。为了深入分析光学纳米天线的特性，不同的光学共振模式可以感应出与其相对应的电场电荷分布、磁场分布及远场分布，因此光学模式就可以利用多极矩描述。不同共振模式的多极子展开仿真结果如图3所示，分别给出了电偶极矩ED，电四极矩EQ，磁偶极矩MD，磁四极矩MQ和旋磁偶极矩TD的散射截面。其中，相对于多极矩辐射能量的总和可以表示为：

公式中变量为在直角坐标系下定义的电偶极矩P，磁偶极矩M，旋磁偶极矩T，电四极矩Q^e和磁四极矩Q^m的分量表达式。散射截面C_sca可以用辐射能量I 和入射光波I_inc的能量的比值表示：

从图3中可以看出，总散射曲线有4个等离子体共振峰，波峰的位置分别为405nm，484nm，667nm和789nm。在波长为405nm处的共振峰是由MD， MQ和ED耦合作用的结果，在波长484nm处的共振峰是MD和MQ共同作用的结果，而在波长667nm和789nm是MD作用的结果。总散射曲线的共振峰是有MD占主导作用，硅十字架二聚体纳米天线的光学磁共振特性可应用在光处理中。如附图4所示，前向散射的三个共振峰与前向散射/后向散射的比值 (FS/BS)呈现出的三个极大值位置是不重合的，FS/BS波峰的峰位分别为434nm， 612nm和857nm，在波长为857nm位置处，它的最大值约等于10，代表在此波峰处前向散射的能量远远大于后向散射的能量。

为研究本发明纳米天线的表面等离子耦合作用的影响，硅十字架二聚体结构的电场、电荷分布和磁场分布如图5-12所示。从电场增强轮廓图5-8中可以看出强烈的电场主要集中在纳米二聚体的中间间隙部分和纳米十字架的各个拐点处，且表面的电流密度分布呈现出环形的极化密度。当波长为405nm时，十字架二聚体纳米天线激发了四极共振模式和偶极共振模式。当波长为484nm， 667nm和789nm时，纳米天线主要激发了偶极共振模式，通过电荷分布图更加验证了图3多极子展开的贡献。图9-12给出4个共振峰峰位在xoy平面的磁场强度分布。这4个不同波长下的磁热点是不同的，当波长为405nm时，纳米二聚体被切割为8个磁热点，在波长484nm和789nm时只有两个磁热点，而当波长为667nm时，纳米二聚体有4个磁热点且均匀的分布在其中两个横向的纳米长方体上。产生多个磁热点的原因不仅仅因为纳米天线的磁场分布是由MD 所主导，而是由MD和其他模式共同相互耦合作用所导致的。

为了研究纳米天线二聚体单向性的优势，给出了本发明的光学纳米天线在不同FS/BS共振波长下的二维和三维远场分布图如图13-18所示。从图中可以看出，当波长为434nm，612nm和857nm时，不同的能量模式表现出了方向性，前向散射占主导地位，后向散射被抑制。可以推断这个高介电纳米天线在不同波长位置处，远场能量基本向前辐射，后向远场辐射能量基本为零。由此证明了本发明的硅十字架二聚体结构光学纳米天线具有单向性。

最后，本发明的十字架二聚体纳米天线对电磁偶极光源的辐射特性也有一定的调制作用，图19和20为光学纳米天线在电、磁偶极源激发下的多极子展开散射截面图。将近场电、磁偶极源放置在十字架二聚体纳米天线的中间位置。通过仿真计算得出了多极子展开的散射截面，将电偶极源放置在如图15所示的位置处，散射曲线主要由ED占主导作用，其他的共振模式可被忽略。将磁偶极源放置在如图20所示的位置处，散射曲线主要由MD和MQ决定，且在十字架二聚体纳米天线的中间位置磁场强度为最强。

实施例二

一种基于硅十字架二聚体的单向性光学纳米天线，所述两个十字架之间的距离D为3nm；所述十字架的截面尺寸L1为180nm，L2为130nm，W1为45nm， W2为75nm，厚度H为70nm。

实施例三

一种基于硅十字架二聚体的单向性光学纳米天线，所述两个十字架之间的距离D为8nm；所述十字架的截面尺寸L1为230nm，L2为170nm，W1为70nm，W2为115nm，厚度H为110nm

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明只局限于上述具体实施。在不脱离本发明整体思路和权利要求所保护的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于硅十字架二聚体的单向性光学纳米天线，其特征在于：包括两个对称分布的十字架，所述十字架的材质为硅，两个十字架之间的距离D为3-8 nm；所述十字架的截面尺寸中横杆长度L1为180-230 nm，纵杆长度L2为130-170 nm，横杆宽度W1为45-70nm，纵杆宽度W2为75-115nm，厚度H为70-110 nm。

2.根据权利要求1所述的一种基于硅十字架二聚体的单向性光学纳米天线，其特征在于：所述两个十字架之间的距离D为5 nm；所述十字架的截面尺寸L1为200nm，L2为150 nm，W1为60nm，W2为90nm，其高度H为90 nm。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于硅十字架二聚体的单向性光学纳米天线，其特征在于：所述硅十字架纳米天线的背景折射率为常数1，十字架二聚体在外场的激发下，产生局域表面等离子体共振现象。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于硅十字架二聚体的单向性光学纳米天线，其特征在于：所述硅十字架纳米天线的入射光为平面波，波矢平行于x轴方向，偏振平行于y轴方向。

5.根据权利要求1或2所述的一种基于硅十字架二聚体的单向性光学纳米天线，其特征在于：所述硅十字架纳米天线支持电偶极、电四极共振和磁偶极、磁四极共振中的任意一种。