CN108761619B - 手性金属纳米薄膜光学结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种手性金属纳米薄膜光学结构，包括金属膜、“V”字型缝和横缝；所述“V”字型缝和所述横缝开设在所述金属膜上；所述横缝开设在所述“V”字型缝的一侧。本发明引入光的斜入射制备了一种手性金属纳米薄膜光学结构，通过在该薄膜结构上添加一个横缝使得圆二色性得到很大的增强。

Description

手性金属纳米薄膜光学结构
技术领域
本发明属于光学领域，具体涉及一种手性金属纳米薄膜光学结构。
背景技术
手性是指结构与其镜像不能重合的性质，手性结构普遍存在于大自然中，例如蛋白质、糖类及DNA等生物大分子，手性在生物化学和生命进化中起着关键的作用。手性根据其结构特点可以分为：内在手性和外在手性。内在手性即结构本身具有的手性，外在手性指结构与入射光一起构成的手性。
圆二色性(Circular Dichroism，CD)是研究手性化合物一个十分重要的手段。在手性分子非对称性的研究中，当左旋圆偏振光(left circularly polarized，LCP)和右旋圆偏振光(right circularly polarized，RCP)入射时，手性材料会呈现出不同的有效折射率且传播速度也不同。当超材料有极强的手性时，甚至会呈现出负折射率，负折射率材料也被称为手性超材料。利用负折射率材料可以对物体进行隐身，实现突破衍射极限的亚波长分辨率成像。这对于物理学、工程学、光学和材料学等领域的研究有可能产生重大的影响。因此对于手性结构的研究成为了电磁学和光学领域最前沿的研究课题。现有技术对手性结构研究中，通过设计二维的金属薄膜手性结构已经可以实现对光束偏振特性的调制或者用来检测手性物质的圆二色谱，但是当被检测信号本身比较微弱时，得到的圆二色谱信号不明显，检测效果差。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种手性金属纳米薄膜光学结构。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明实供了一种手性金属纳米薄膜光学结构，包括金属膜、“V”字型缝和横缝；
所述“V”字型缝和所述横缝开设在所述金属膜上；
所述横缝开设在所述“V”字型缝的一侧。
在一个具体实施方式中，所述“V”字型缝包括左臂和右臂，所述左臂和所述右臂均为矩形结构；其中所述左臂的一端和所述右臂的一端连接，并在连接处形成具有第一长度的外底边和第二长度的内底边，且所述第一长度大于所述第二长度。
在一个具体实施方式中，所述左臂的长度和所述右臂的长度均为l1，l1的范围是100nm-300nm；
在一个具体实施方式中，所述左臂的宽度、所述右臂的宽度、所述第一长度均为w1，w1的范围是30-50nm；
在一个具体实施方式中，所述第二长度为w2，w2的范围是10nm-30nm。
在一个具体实施方式中，所述金属膜为矩形结构，且所述金属膜的第一边长为400nm-1000nm，所述金属膜的第二边长为400nm-1000nm。
在一个具体实施方式中，所述横缝为“一”字型横缝，其中所述横缝的长度为l2，l2的范围是100nm-300nm；
所述横缝的宽度为w3，w3的范围是30nm-50nm。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明引入光的斜入射制备了一种手性金属纳米薄膜光学结构，通过在“V”字型缝上添加一个横缝使得圆二色性得到很大的增强。
附图说明
图1为本发明提供的手性金属纳米薄膜光学结构示意图；
图2为本发明提供的手性金属纳米薄膜光学结构产生圆二色性的原理图；
图3为本发明提供的两种手性金属纳米薄膜光学结构示意图；
图4为本发明提供的两种手性金属纳米薄膜光学结构产生的圆二色谱图。
附图标记：
11-金属膜、12-“V”字型缝、13-横缝。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
请参见图1，图1为本发明提供的一种手性金属纳米薄膜光学结构示意图。手性金属纳米薄膜光学结构包括：金属膜、“V”字型缝和横缝；
所述“V”字型缝和所述横缝开设在所述金属膜上；所述横缝开设在所述“V”字型缝的一侧。
在一个具体实施方式中，所述“V”字型缝包括左臂和右臂，所述左臂和所述右臂均为矩形结构；其中所述左臂的一端和所述右臂的一端连接，并在连接处形成具有第一长度的外底边和第二长度的内底边，且所述第一长度大于所述第二长度，其中所述左臂和所述右臂的第一端可以是各自的任意一端，所述左臂的长度和所述右臂的长度均为l1，l1的范围是100nm-300nm；所述左臂的宽度、所述右臂的宽度、所述第一长度均为w1，w1的范围是30-50nm；所述第二长度为w2，w2的范围是10nm-30nm。
在一个具体实施方式中，横缝13为“一”字型横缝，横缝13的长度为l2，l2的范围是100nm-300nm；所述横缝13的宽度为w3，w3的范围是30nm-50nm
在三维空间X-Y-Z的二维平面X-Y内，“V”字型缝12和横缝13均匀排列在金属膜上，沿X方向的排列的第一周期为Px，沿Y方向的排列的第二周期为Py。
在一个具体实施方式中，所述金属膜为矩形结构，且所述金属膜的第一边长等于第一周期Px，大小范围是400nm-1000nm，所述金属膜的第二边长等于第二周期Py，大小范围是400nm-1000nm。其中Px与Py垂直，本实施例中仅以图1中的方向描述，第一边长与第二边长可以相等也可以不相等，金属膜采用良导体，金属膜的厚度范围为20nm-100nm，本发明实施例提供的结构可以采用金属材料铜代替金、银等其他贵金属，极大的降低了该结构的材料成本。
“V”字型缝12右臂的另一端，即没有与左臂连接的一端，和横缝13之间在Px方向上的距离为l3，间隔l3的宽度与宽度w1的大小范围相近，为30nm～50nm。
在本实施例中，描述的左臂和右臂仅仅是参照图1进行的描述，在实际的制作过程中，此处定义的右臂也可以是如图1所见的左臂。
优选的，在本发明的一个实施例中，金属膜采用铜材料，第一边长和第二边长相等，长度为Px＝Py＝500nm；金属膜11、“V”字型缝12和横缝13的厚度均为30nm；“V”字型缝12的两个臂长相等，l1＝l2＝200nm，宽度为w1＝40nm；横缝13的长度为l2＝180nm，横缝13的宽度与“V”字型缝12的宽度相等，该宽度为w1＝40nm；“V”字型缝12和横缝13之间的距离为l3＝w1＝40nm。
实施例2
请参见图2，图2为本发明提供的手性金属纳米薄膜光学结构产生圆二色性的原理图。本实施例在上述实施例的基础上，重点对手性金属纳米薄膜光学结构产生圆二色性的原理进行详细描述。
当一束左旋偏振光(left circularly polarized，LCP)从手性金属纳米薄膜光学结构正面入射，经过手性金属纳米薄膜光学结构后，接收到的左旋偏振光的透射率为T--，当一束右旋偏振光(right circularly polarized，RCP)从手性金属纳米薄膜光学结构正面入射，经过手性金属纳米薄膜光学结构后，接收到的右旋偏振光的透射率为T++，其中下标“--”表示为左旋偏振光，“++”表示为右旋偏振光，则手性金属纳米薄膜光学结构的圆二色性可以表示为：
CD＝T++-T--
左旋偏振光和右旋偏振光经过手性结构单元后的透射率是不相同的，即T++≠T--，因此，CD的大小代表了手性金属纳米薄膜光学结构的圆二色性的强弱。
优选的，请参见图3，图3为本发明提供的两种手性金属纳米薄膜光学结构示意图；请参见图4，图4为本发明提供的两种手性金属纳米薄膜光学结构产生的圆二色谱图。在本发明的一个实施例中，偏振光在Z-X平面内，让左旋偏振光和右旋偏振光沿着X和Z的负方向，以45°角分别倾斜入射到未增加横缝的手性金属纳米薄膜光学结构和增加横缝的两种手性金属纳米薄膜光学结构上，得到两种手性金属纳米薄膜光学结构的对比CD谱图，其中圆形标记为未增加横缝的手性金属纳米薄膜光学结构的CD谱图曲线，请参见表1，表1为未增加横缝的手性金属纳米薄膜光学结构在不同波长的光入射时的CD值对应表。
入射波长λ CD值
920nm 2％
1280nm 5.7％
表1
方框标记为增加横缝的手性金属纳米薄膜光学结构的CD谱图曲线，请参见表2，表2为增加横缝的手性金属纳米薄膜光学结构在不同波长的光入射时的CD值对应表。
入射波长λ CD值
770nm 6％
860nm 1％
890nm 6.5％
950nm 5.5％
1280nm 6.5％
表2
由表1与表2对比可以得知，在在添加横缝后，CD信号均得到了显著增强，其原因是横缝的添加改变了原来“V”字型缝上的电流流向，在横缝处出现了磁偶极子，金属薄膜上的电偶极子和磁偶极子共同作用，使CD信号得到增强。
本发明引入光的斜入射制备了一种外在的手性金属纳米薄膜光学结构，通过在“V”字型缝上添加一个横缝使得圆二色性得到很大的增强；同时本发明可以采用金属材料铜代替金或银，降低手性材料的制备成本。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，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 (6)

1.一种手性金属纳米薄膜光学结构，其特征在于，包括金属膜、“V”字型缝和横缝；
所述“V”字型缝和所述横缝开设在所述金属膜上；
所述横缝开设在所述“V”字型缝的一侧；
所述横缝为“一”字型横缝，其中所述横缝的长度为l2，l2的范围是100nm-300nm；所述横缝的宽度为w3，w3的范围是30nm-50nm。
2.根据权利要求1所述的手性金属纳米薄膜光学结构，其特征在于，
所述“V”字型缝包括左臂和右臂，所述左臂和所述右臂均为矩形结构；其中所述左臂的一端和所述右臂的一端连接，并在连接处形成具有第一长度的外底边和第二长度的内底边，且所述第一长度大于所述第二长度。
3.根据权利要求2所述的手性金属纳米薄膜光学结构，其特征在于，
所述左臂的长度和所述右臂的长度均为l1，l1的范围是100nm-300nm。
4.根据权利要求3所述的手性金属纳米薄膜光学结构，其特征在于，
所述左臂的宽度、所述右臂的宽度、所述第一长度均为w1，w1的范围是30-50nm。
5.根据权利要求3所述的手性金属纳米薄膜光学结构，其特征在于，
所述第二长度为w2，w2的范围是10nm-30nm。
6.根据权利要求5所述的手性金属纳米薄膜光学结构，其特征在于，
所述金属膜为矩形结构，且所述金属膜的第一边长为400nm-1000nm，所述金属膜的第二边长为400nm-1000nm。
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光学超材料与手性超材料的电磁特性研究;宋坤;《中国博士学位论文全文数据库-工程科技Ⅰ辑》;20150715;全文 *
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