CN109298549A - 一种双f型纳米孔阵列及其调控圆二色性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微纳光学领域，具体涉及一种双F型纳米孔阵列及其调控圆二色性的方法，该双F型纳米孔阵列由多个金属纳米单元结构按矩形周期阵列拼接构成，所述每个金属纳米单元结构由矩形金属纳米薄膜制成，其矩形金属纳米薄膜的中间形成中心对称的双F型纳米孔。由于左右旋圆偏振光照射在该结构上，产生的电场强度不同，导致了大的圆二色性出现，其中圆二色性最大达到了41％，并且该申请提出了基于双F型纳米孔阵列调控圆二色性的方法，该调控方法通过在结构中设置二氧化钒相变材料，改变结构所处的环境温度来调控圆二色性的大小，方法简单可行，节省资源，易于操作。
Description
技术领域
本发明属于电磁波偏振态调控领域，具体涉及一种双F型纳米孔阵列及其调控圆二色性的方法。
背景技术
手性是指该结构与其镜像对映体不完全重合的特性，圆二色性(CD，circulardichroism)是检测手性的一种方法。圆二色性指的是手性结构对左旋圆偏振光和右旋圆偏振光吸收不同的性质。
自然界中手性分子的圆二色性非常微弱，不利于生物医学和药物学的实际信号检测。而人工手性纳米结构由于其与左旋和右旋圆偏振光的相互作用下，产生不同的表面等离激元共振模式，因而具有较强的圆二色性。
三维手性结构可以产生信号强的圆二色性，但是制备和调控过程复杂，不利于实际应用；而二维平面手性结构容易制备，但其产生的圆二色性信号较弱，且不容易调控其信号的大小和位置。
发明内容
为了解决现有技术中存在的二维平面手性结构产生圆二色性信号弱并且不容易调控其信号的大小和位置的问题，本发明提供了一种双F型纳米孔阵列及调控圆二色性的方法，在左旋圆偏振光和右旋圆偏振光照射下，该结构表面电场强度不同，导致结构存在大的手性差异，产生明显的大的圆二色性信号，而且，基于该结构的调控圆二色性的方法简单方便，易于操作。
本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
一种双F型纳米孔阵列，由多个金属纳米单元结构按矩形周期阵列拼接构成，所述每个金属纳米单元结构由矩形金属纳米薄膜制成，其矩形金属纳米薄膜的中间形成中心对称的双F型纳米孔。
进一步地，所述双F型纳米孔由第一长方形孔、第二长方形孔、第三长方形孔、第四长方形孔和第五长方形孔组成；所述第一长方形孔的长边和矩形周期的一边平行，并设置在矩形周期的中间位置，所述第一长方形孔长边的一端设置有第二长方形孔和第三长方形孔，所述第二长方形孔和第三长方形孔的短边与第一长方形孔相连接；
所述第一长方形孔另一条长边的对角端设置有第四长方形孔和第五长方形孔，所述第四长方形孔和第五长方形孔的短边与第一长方形孔相连接；所述第二长方形孔和第三长方形孔之间，第四长方形孔和第五长方形孔之间分别形成间隙。
进一步地，所述第一长方形孔的长度为L＝460～500nm，所述第二长方形孔和第三长方形孔的长度为l＝150～170nm，所述第四长方形孔和第五长方形孔的长度为l＝150～170nm，所述间隙的宽度为g＝30～70nm。
进一步地，所述矩形金属纳米薄膜由贵金属材料制成。
一种基于双F型纳米孔阵列的调控圆二色性的方法，通过改变所述双F型纳米孔阵列中的结构参数，来改变结构单元的对称性，实现对圆二色性模式大小和位置的调控。
进一步地，所述间隙处填充二氧化钒材料。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
(1)本申请实施例通过在金属纳米薄膜结构上形成双F型纳米孔，在左旋圆偏振光和右旋圆偏振光照射下，电流在该结构的间隙中形成环流，产生磁偶极子共振，但由于左旋圆偏振光下间隙中产生的电流大于右旋圆偏振光下间隙中产生的电流强度，使得该结构上产生的吸收不同，导致了大的圆二色性出现，其中圆二色性最大达到了41％；
(2)本申请实施例双F型纳米孔阵列结构易于调控圆二色性，该结构可以通过改变结构中的各个参数来调控圆二色性的位置和大小。
(3)本申请实施例双F型纳米孔阵列结构中的间隙处填充有二氧化钒材料，通过改变环境温度来改变二氧化钒的相态，二氧化钒相态的改变可以改变结构对入射光的吸收，从而达到改变圆二色性的目的。
(4)本申请实施例通过改变环境温度来调控圆二色性的方法简单便捷，而且相较于通过结构参数调节圆二色性，本调控方法对实验设备和实验人员的要求大大降低，只需改变环境温度即可实现，调节方法简单快捷，极大的降低了圆二色性的调控成本。
(5)本申请实施例双F型纳米孔阵列结构属于平面金属纳米结构，相较于三维的纳米结构容易制备，而且可以通过CMOS工艺集成制备在芯片上。
附图说明
图1是本申请双F型纳米孔阵列结构示意图；
图2是本申请双F型纳米孔阵列结构的双F型纳米孔单元示意图；
图3是本申请实施例2中双F型纳米孔阵列结构的吸收光谱及圆二色性光谱图；
图4是本申请实施例2中双F型纳米孔阵列结构在吸收峰处的电流分布和耗散分布，其中(a)(b)为电流分布，(c)(d)为耗散分布；
图5是本申请实施例3中双F型纳米孔阵列结构的圆二色性光谱示意图；
图6是本申请实施例3中双F型纳米孔阵列结构的圆二色性光谱示意图；
图7是本申请实施例3中双F型纳米孔阵列结构的圆二色性光谱示意图；
图8是本申请实施例4中双F型纳米孔阵列结构的圆二色性光谱示意图；
其中，图1中：1、矩形金属纳米薄膜；2、双F型纳米孔；20、间隙；21、第一长方形孔；22、第二长方形孔；23、第三长方形孔；24、第四长方形孔；25、第五长方形孔。
具体实施方式
为解决现有技术中存在的平面金属结构圆二色性小且不易于调控的问题，本发明提供了一种双F型纳米孔阵列及其调控圆二色性的方法，在左旋圆偏振光和右旋圆偏振光照射下，该结构表面电场强度不同，导致结构产生大的圆二色性信号，而且，基于该结构调控圆二色性信号过程简单方便，易于操作。
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：
一种双F型纳米孔阵列，由多个金属纳米单元结构按矩形周期阵列拼接构成，所述每个金属纳米单元结构由矩形金属纳米薄膜1制成，其矩形金属纳米薄膜1的中间形成中心对称的双F型纳米孔2。所述双F型纳米孔2由第一长方形孔21、第二长方形孔22、第三长方形孔23、第四长方形孔24和第五长方形孔25组成。
具体而言：
当入射光照射本实施例结构时，本实施例结构属于平面手性结构，对左、右旋圆偏振光具有不同的吸收率从而产生圆二色性。
如图1和图2所示，所述第一长方形孔21的长边和矩形周期的一边平行，设置在矩形周期的中间位置，所述第一长方形孔21长边的一端设置有第二长方形孔22和第三长方形孔23，所述第二长方形孔22和第三长方形孔23的短边与第一长方形孔21相连接；所述第一长方形孔21另一条长边的对角端设置有第四长方形孔24和第五长方形孔25，所述第四长方形孔24和第五长方形孔25的短边与第一长方形孔21相连接。所述第二长方形孔22和第三长方形孔23之间、第四长方形孔24和第五长方形孔25之间分别形成间隙20。所述矩形金属纳米薄膜1由贵金属材料制成。
具体而言：本实施例双F型纳米孔阵列结构为平面手性结构，可以对不同的圆偏振光产生不同的吸收，得到较大的圆二色性，可以用于表征或者增强手性分子的圆二色性信号，用于手性生物分子的检测或对映体传感等。
本实施例双F型纳米孔阵列结构的具体参数设定如下：
所述矩形周期的边长为Px＝580～620nm，Py＝580～620nm，所述矩形金属纳米薄膜1的厚度为40nm；所述第一长方形孔21的长度为L＝460～500nm，宽度W＝200nm，所述第二长方形孔22和第三长方形孔23的长度为l＝150～170nm，宽度w＝50nm；所述第四长方形孔24和第五长方形孔25的长度为l＝150～170nm，宽度w＝50nm，所述间隙20的宽度为g＝30～70nm。
具体而言：
本实施例双F型纳米孔阵列结构简单，相较于三维的纳米结构容易制备，结构为互相连通的金属微纳结构，方便外加电极，通过改变外加电压改变结构表面的电场分布，从而改变结构对于入射光的吸收。并且，该实施例双F型纳米孔阵列结构的制备可以通过CMOS工艺实现，并集成制备在芯片上。
实施例2：
为了进一步说明本申请实施例双F型纳米孔阵列的圆二色性效应，本实施例公开了实施例1中双F型纳米孔阵列圆二色性的大小以及产生的原理。利用三维有限元仿真软件COMSOL Multiphysics，对双F型纳米孔阵列的特性进行了数值模拟，具体参数优选如下：
所述矩形周期的边长为Px＝600nm，Py＝600nm。所述矩形金属纳米薄膜1的厚度为40nm，所述第一长方形孔21的长度L＝480nm，宽度W＝200nm，所述第二长方形孔22和第三长方形孔23与所述第四长方形孔24和第五长方形孔25的长度l＝160nm，宽度w＝50nm，所述间隙20的宽度为g＝50nm。
所述矩形金属纳米薄膜1由贵金属材料制成，优选地，该矩形金属纳米薄膜1由金或银制成。
如图3所示，为本申请实施例双F型纳米孔阵列的吸收光谱图和圆二色性光谱图，其中，A-表示左旋圆偏振光的吸收率，A+表示右旋圆偏振光的吸收率，CD表示圆二色性的大小。从图中我们可以清楚的看到：该结构在λ＝1470nm处出现一个吸收峰，在吸收峰处的吸收和圆二色性大小分别为：A-＝0.45％，A+＝0.04％，CD＝0.41％，左旋圆偏振光和右旋圆偏振光照射在该结构上，产生的吸收率的差距很大，从而引起圆二色性有一个较大的值。
为了探究该实施例双F型纳米孔阵列结构产生大的圆二色性的原理，计算了在吸收峰λ＝1470nm处的电流分布和耗散分布，如图4所示：
如图4(a)所示，在左旋圆偏振光的照射下，在第二长方形孔22和第三长方形孔23，第四长方形孔24和第五长方形孔25的间隙20处的电流形成磁偶极子，而且在间隙20处的电流也比较大，因此在该模式下产生了很大的吸收；而右旋圆偏振光照射时，电流同样在间隙20处形成磁偶极子，但电流大小比在左旋圆偏振光照射下的小很多，因此几乎没有吸收，如图4(b)所示，从而产生了较大的圆二色性。如图4(c)和(d)所示的能量耗散图也说明吸收耗散主要发生在磁偶极子形成的位置。
实施例3：
本实施例公开了一种调控圆二色性的方法，该实施例调控圆二色性的方法是基于上述实施例2提出的双F型纳米孔阵列，该实施例通过改变所述双F型纳米孔阵列中的结构参数，来改变结构单元的对称性，实现对圆二色性大小和位置的调控。利用三维有限元仿真软件COMSOL Multiphysics，对双F型纳米孔阵列的特性进行了数值模拟。
首先是通过两个长方形孔之间的距离调控圆二色性信号，具体参数优选如下：
所述矩形周期优选为方形周期Px＝Py＝600nm，所述矩形金属纳米薄膜1的厚度为40nm。所述第一长方形孔21的长度为L＝480nm，宽度W＝200nm，所述第二长方形孔22和第三长方形孔23与所述第四长方形孔24和第五长方形孔25的长度为l＝160nm，宽度w＝50nm。所述间隙20的宽度为g＝30～70nm。
如图5为本申请实施例双F型纳米孔阵列结构改变g参数时的圆二色性光谱图，从图中我们可以清楚的看到：
当g从30nm到70nm之间变化时，随着g的变大，增大了所述第二长方形孔22和第三长方形孔23、第四长方形孔24和第五长方形孔25之间的间隙20面积，从而降低了共振区域的有效长宽比，导致了圆二色性模式的蓝移，圆二色性的大小随着间隙20的增大而增大。本申请实施例通过调节第二长方形孔22和第三长方形孔23、第四长方形孔24和第五长方形孔25之间的距离，改变间隙20的面积，来改变本申请实施例对于入射光的吸收特性，从而达到调节双F型纳米孔阵列圆二色性的目的。
其次，也可以通过调节第一长方形孔21的长度来调控圆二色性信号，参数优选如下：
所述矩形周期优选为方形周期Px＝Py＝600nm，所述矩形金属纳米薄膜1的厚度为40nm。所述第二长方形孔22和第三长方形孔23与所述第四长方形孔24和第五长方形孔25的长度为l＝160nm，宽度w＝50nm。所述间隙20的宽度为50nm；所述第一长方形孔21的宽度W＝200nm，长度范围优选为L＝460～500nm。
如图6为本申请实施例双F型纳米孔阵列结构改变第一长方形孔21的长度L时的圆二色性光谱图，从图中我们可以清楚的看到：
当L从460nm到500nm之间变化时，随着第一长方形孔21的长度L的变大，圆二色性的模式位置并没有发生变化，这是因为该圆二色性模式是由于间隙20之间的磁偶极子振荡形成的，L的增加对谐振长度并没有影响。只是随着L的增大，圆二色性信号减小。本申请实施例通过调节第一长方形孔21的长度，改变本申请实施例双F型纳米孔阵列对于入射光的吸收特性，从而达到调节双F型纳米孔阵列圆二色性的目的。
还可以通过调节第二长方形孔22和第三长方形孔23与第四长方形孔24和第五长方形孔25的宽度来调控圆二色性信号，参数优选如下：
所述矩形周期优选为方形周期Px＝Py＝600nm。所述矩形金属纳米薄膜1的厚度为40nm。所述第一长方形孔21的长度为L＝480nm，宽度W＝200nm；所述间隙20的宽度为50nm，所述第二长方形孔22和第三长方形孔23与所述第四长方形孔24和第五长方形孔25的宽度w＝50nm，长度优选为l＝150～170nm。
如图7为本申请实施例双F型纳米孔阵列结构改变第二长方形孔22和第三长方形孔23、第四长方形孔24和第五长方形孔25的长度l时的圆二色性光谱图，从图中我们可以清楚的看到：
当l从150nm到180nm之间变化时，随着长度l的变大，圆二色性的模式位置发生红移，这是因为该第二长方形孔22和第三长方形孔23、第四长方形孔24和第五长方形孔25长度增加，导致间隙20处的磁偶极子振荡的长度增加，从而引起圆二色性模式红移。但随着l的增大，圆二色性的大小没有发生变化。本申请实施例通过调节第二长方形孔22和第三长方形孔23、第四长方形孔24和第五长方形孔25的长度，改变本申请实施例对于入射光的吸收特性，从而达到调节双F型纳米孔阵列圆二色性的目的。
本申请实施例提出通过改变结构的参数来调节圆二色性，实施例给出调节参数对双F型纳米孔阵列结构圆二色性具体产生的影响，参数对圆二色性大小和位置产生不同的影响。通过本实施例的阐述，可以在实际应用中，根据需要选择改变合适的参数来达到所需的圆二色性大小和位置。
实施例4：
基于实施例2公开的双F型纳米孔阵列结构，本实施例公开了一种基于双F型纳米孔阵列结构调控圆二色性的方法。
本申请实施例是在实施例1的双F型纳米孔阵列结构上提出改进，所述间隙20处填充二氧化钒材料。
具体而言：
本实施例所用到的二氧化钒的相变温度大约为68℃，二氧化钒在低于68℃时处于绝缘态，作用等同于介质层，在高于68℃时处于金属态，作用等同于金属层。二氧化钒的相变导致其结构的折射率、反射率、吸收系数以及电阻等物理性质发生改变。本申请实施例通过在间隙20处填充二氧化钒相变材料，正是应用了二氧化钒的随温度变化的特性，来改变间隙20处的状态，通过上述对于双F型纳米孔阵列结构产生圆二色性原理的分析得出，间隙20处的电流强度的差异是引起圆二色性信号大的主要因素。因此，该调控方法就是在结构间隙20处填充二氧化钒材料，通过改变间隙20处的状态来达到动态调控圆二色性信号的目的。
为进一步阐述该实施例公开的基于双F型纳米孔阵列结构调控圆二色性的方法，本实施例公开了在不同温度下的圆二色性光谱图。该结构具体设定参数如下：
在所述第二长方形孔22和第三长方形孔23之间，第四长方形孔24和第五长方形孔25之间分别形成间隙20。该间隙20的宽度为g＝30～70nm，长度为160nm，厚度为40nm，间隙20为二氧化钒材料制成。左旋圆偏振光和右旋圆偏振光垂直照射该实施例结构，在不同温度下测得其针对不同圆偏振光的吸收，得到图8所示的本实施例的圆二色性光谱图。
从图8我们可以清楚的看到，在长波长处，当环境为低温，本实施例优选为温度T＝25℃，本实施例结构在λ＝1470nm处产生的吸收CD＝0.6％。当高温环境时，本实施例优选为温度T＝85℃，本实施例结构在λ＝1470nm处产生的吸收CD＝41％。在短波长处，当T＝25℃时，本实施例结构在λ＝630nm处产生的吸收CD＝19％，当T＝85℃时，本实施例结构在λ＝630nm处产生的吸收CD＝10％。
本实施例结构通过环境温度的调控，在长波长处，高温环境下圆二色性信号明显大于低温环境，而在短波长处，高温环境的圆二色性信号小于低温环境。由此可以看出，本申请实施例可以通过温度的调节对光学结构的圆二色性信号的大小和位置进行调控。
并且，二氧化钒相变材料的相变温度与室温相差大，不会影响与该光学结构所在系统的其他组成部件的几何及光学特性，性能稳定，不易变形损坏，使用寿命长。二氧化钒在达到相变温度后，相变时间非常短，在ns级别，可以极大的提高本实施例光学结构圆二色性的调控灵敏度。而且二氧化钒的相变过程是可逆的，可多次重复，利用率高，二氧化钒有很好的导电特性，可广泛应用在温控装置，光电开关等方面，使用和制备成本低，节省资源避免资源浪费。
具体而言：
环境温度T可通空气温度调节器，例如空调或者普通加热器或者制冷器对环境进行加热或者冷却即可。
本实施例结构可以通过改变环境温度T，使二氧化钒的晶格结构发生的转变，两种温度下的二氧化钒相态不同，具有不同的吸收特性，从而在不改变原结构的前提下，实现通过调节光学所处环境温度T实现对本申请实施例光学结构吸收特性的调节，从而达到改变本申请实施例结构动态调控圆二色性的目的，解决了目前固定结构无法调控圆二色性信号的问题，本申请实施例结构设计新颖，结构简单具有一定的设计指导作用，更为其他光学器件的研究提供了一种新的研究方向和思路。
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)
1.一种双F型纳米孔阵列，由多个金属纳米单元结构按矩形周期阵列拼接构成，其特征在于：所述每个金属纳米单元结构由矩形金属纳米薄膜(1)制成，其矩形金属纳米薄膜(1)的中间形成中心对称的双F型纳米孔(2)。
2.根据权利要求1所述的双F型纳米孔阵列，其特征在于：所述双F型纳米孔(2)由第一长方形孔(21)、第二长方形孔(22)、第三长方形孔(23)、第四长方形孔(24)和第五长方形孔(25)组成；
所述第一长方形孔(21)的长边和矩形周期的一边平行，并设置在矩形周期的中间位置，所述第一长方形孔(21)长边的一端设置有第二长方形孔(22)和第三长方形孔(23)，所述第二长方形孔(22)和第三长方形孔(23)的短边与第一长方形孔(21)相连接；
所述第一长方形孔(21)另一条长边的对角端设置有第四长方形孔(24)和第五长方形孔(25)，所述第四长方形孔(24)和第五长方形孔(25)的短边与第一长方形孔(21)相连接；
所述第二长方形孔(22)和第三长方形孔(23)之间，第四长方形孔(24)和第五长方形孔(25)之间分别形成间隙(20)。
3.根据权利要求2所述的双F型纳米孔阵列，其特征在于：所述第一长方形孔(21)的长度为L＝460～500nm，所述第二长方形孔(22)和第三长方形孔(23)的长度为l＝150～170nm，所述第四长方形孔(24)和第五长方形孔(25)的长度为l＝150～170nm，所述间隙(20)的宽度为g＝30～70nm。
4.根据权利要求3所述的双F型纳米孔阵列，其特征在于：所述矩形金属纳米薄膜(1)由贵金属材料制成。
5.一种基于权利要求1～4所述的双F型纳米孔阵列的调控圆二色性的方法，其特征在于：通过改变所述双F型纳米孔阵列中的结构参数，来改变结构单元的对称性，实现对圆二色性模式大小和位置的调控。
6.根据权利要求5所述的调控圆二色性的方法，其特征在于：所述间隙(20)处填充二氧化钒材料。
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2018
- 2018-12-07 CN CN201811490970.9A patent/CN109298549A/zh not_active Withdrawn
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Application publication date: 20190201 |
|
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |