CN110161598B - 一种基于硅纳米球三聚体的单向性光学纳米天线结构 - Google Patents

一种基于硅纳米球三聚体的单向性光学纳米天线结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种光学纳米天线，具体涉及一种基于硅纳米球三聚体的单向性光学纳米天线结构，天线结构由三个纳米球以沿x＝y轴对称的形式构成，三个纳米球的直径D为200‑280nm，位于对称轴两侧的纳米球与位于对称轴心的纳米球之间的距离为0；纳米球的材质为高介电材料硅。该结构可用于调节远场方向特性，入射波的波矢平行于X轴方向，偏振平行于Y轴方向。利用多级分解的方法分析，该结构是一类既支持电偶极，磁偶极共振，又支持电四极，环形偶极共振的结构，这些共振模式的耦合作用实现了高介电材料硅纳米球三聚体结构的远场单向性散射。还为实现远场的单向性可控纳米天线提供了坚实的理论基础。

Description

一种基于硅纳米球三聚体的单向性光学纳米天线结构
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纳米球三聚体的单向性光学纳米天线结构。
背景技术：
纳米粒子为纳米光子学器件提供了各种各样的功能，如场增强、表面增强拉曼散射(SERS)、成像和可视化等，已成为光散射领域最热门的研究课题之一，光学纳米天线由于其具有强吸收以及将入射光引导到纳米尺度上特定方向的特性在生物传感，光发射装置，光学显微镜等领域有广泛的应用和很大的潜力。纳米光学天线作为电磁波的媒介，结合了传统微波天线的优势，是可以将自由空间的电磁能量与局域场电磁能量互相转化的有效工具，实现电磁波传输场和局域场之间的相互转换。随着纳米光学的不断成熟，纳米科学可以作为一种新的技术控制实现对光散射的控制，抑制后向散射的同时提高前向散射。同时纳米天线的散射和辐射的电磁场在远场会产生相干作用，导致远场辐射特性发生变化。因此设计出具有良好远场特性的纳米光学天线具有重要的研究和应用价值。由于金属纳米颗粒折射率的虚部大导致其在可见光范围内有较大损耗，限制了金属结构在光波段的性能和应用，而高折射率介质材料相比于金属纳米材料在可见光范围内能够显著的降低光学损耗，理论和实验也不断证明具有高介电常数的介电材料在近红外和可见光范围内能激发强磁共振，为光学波段定向散射的实现和应用带来了新的希望，这使得高介电纳米天线的散射特性受到了广泛关注。
1983年，Kerker等人在研究磁性小球的光散射效应中，提出磁性颗粒支持的电模式和磁模式通过相互作用能够实现对光散射方向的控制，在特定波长处，通过多极矩辐射能量的耦合作用可以近似满足Kerker，随着研究者的不断深入，利用球状、柱状纳米颗粒，纳米核壳结构及三聚体等人工结构可以产生强的磁响应，它和结构本身的电响应相互作用能够实现光学波段的定向散射。
发明内容：
本发明的目的是提出了一种由高介电材料硅纳米球三聚体构成的新颖的光学纳米天线结构的设计方案，可用于调节远场方向特性，入射波的波矢平行于X轴方向，偏振平行于Y轴方向。利用多级分解的方法分析，该结构是一类既支持电偶极，磁偶极共振，又支持电四极，环形偶极共振的结构，这些共振模式的耦合作用实现了高介电材料硅纳米球三聚体结构的远场单向性散射。在此，本发明还论证了在硅纳米球三聚体中，如果高阶矩得到适当的平衡并在两种不同波长下达到广义克尔条件，散射方向性就可以进一步提高，还可以将光学纳米天线的工作范围由可见光区域拓宽至近红外区域。本发明为实现远场的单向性可控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：一种基于硅纳米球三聚体的单向性光学纳米天线结构，所述天线结构由三个纳米球以沿x＝y轴对称的形式构成，三个纳米球的直径D为200-280nm，位于对称轴两侧的纳米球与位于对称轴心的纳米球之间的距离为0；所述纳米球的材质为高介电材料硅。
进一步地，所述纳米球的直径D为240nm，位于对称轴两侧的纳米球与位于对称轴心的纳米球球心之间的距离L为240nm。
进一步地，所述硅纳米球三聚体的单向性光学纳米天线结构的背景折射率为常数1，硅纳米球三聚体纳米天线在外场的激发下，会产生局域表面等离子体共振现象。
进一步地，所述硅纳米球三聚体的单向性光学纳米天线结构的入射光为平面波，波矢平行于X轴方向，偏振平行于Y轴方向，磁场方向平行于Z轴。
进一步地，所述硅纳米球三聚体的单向性光学纳米天线结构支持电偶极、电四级共振，磁偶极和环形偶极共振中的任意一种。
进一步地，所述硅纳米球三聚体的单向性光学纳米天线结构中不同共振模式响应的耦合作用导致高介电材料硅纳米球三聚体结构磁热点的产生。
进一步地，操作波长由可见光区域拓展至近红外区域。
本发明的有益效果：
(1)、本发明提出的高介电材料硅纳米球三聚体纳米光学天线结构可以同时支持电偶极，电四极，磁偶极和环形偶极共振模式(ED,EQ,MD,TD)，这些模式的耦合作用使广义kerker条件得到满足，使得设计的光学天线在不同的波长位置下可以实现远场的单向性散射并且在纳米球内部产生多个磁热点。
(2)、本发明设计的光学天线在可见光范围内和近红外光波范围内都可以实现抑制后向散射，增强前向散射的散射特性，提高远场散射的单向性。其高度可调谐的光学特性为纳米天线的设计提供了理论基础。
附图说明：
图1是基于硅纳米球三聚体的单向性光学纳米天线结构的示意图；
图2是光学纳米天线的多极子展开散射截面图；
图3是光学纳米天线的前向散射和前向散射/后向散射的截面图；
图4是光学纳米天线的前向散射/后向散射的截面图与广义Kerker条件的吻合情况示意图；
图5是光学纳米天线在共振波长为545nm时的磁场增强轮廓图；
图6是光学纳米天线在共振波长为735nm时的磁场增强轮廓图；
图7是光学纳米天线在共振波长为836nm时的磁场增强轮廓图；
图8是光学纳米天线在共振波长为896nm时的磁场增强轮廓图；
图9是光学纳米天线在波长为545nm时的电场增强轮廓图和电荷分布图；
图10是光学纳米天线在波长为735nm时的电场增强轮廓图和电荷分布图；
图11是光学纳米天线在波长为836nm时的电场增强轮廓图和电荷分布图；
图12是光学纳米天线在波长为896nm时的电场增强轮廓图和电荷分布图；
图13是光学纳米天线在共振波长为577nm时的二维远场分布图；
图14是光学纳米天线在共振波长为896nm时的二维远场分布图；
图15是光学纳米天线在共振波长为985nm时的二维远场分布图；
图16是光学纳米天线在共振波长为575nm时的三维远场分布图；
图17是光学纳米天线在共振波长为896nm时的三维远场分布图；
图18是光学纳米天线在共振波长为985nm时的三维远场分布图。
具体实施方式：
实施例一
一种基于硅纳米球三聚体的单向性光学纳米天线结构，所述天线结构由三个纳米球以沿x＝y轴对称的形式构成，三个纳米球的直径D为200-280nm，位于对称轴两侧的纳米球与位于对称轴心的纳米球之间的距离为0；所述纳米球的材质为高介电材料硅；所述纳米球的直径D为240nm，位于对称轴两侧的纳米球与位于对称轴心的纳米球球心之间的距离L为240nm；所述硅纳米球三聚体的单向性光学纳米天线结构的背景折射率为常数1，硅纳米球三聚体纳米天线在外场的激发下，会产生局域表面等离子体共振现象；所述硅纳米球三聚体的单向性光学纳米天线结构的入射光为平面波，波矢平行于X轴方向，偏振平行于Y轴方向，磁场方向平行于Z轴；所述硅纳米球三聚体的单向性光学纳米天线结构支持电偶极、电四级共振，磁偶极和环形偶极共振中的任意一种；所述硅纳米球三聚体的单向性光学纳米天线结构中不同共振模式响应的耦合作用导致高介电材料硅纳米球三聚体结构磁热点的产生。
本发明提出了一种基于高介电材料硅的纳米球三聚体的单向性光学纳米天线结构，下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。
本发明的硅纳米球三聚体的光学纳米天线具体的结构如附图1所示，由一组沿x＝y轴对称的纳米球结构组合而成，所述材料为高介电材料硅。
本仿真采用的激励源为平面波，入射光传播方向平行于X轴，磁场方向沿Z轴，电场方向平行于Y轴，周围介质的折射率等于1。基于Comsol Multiphysics的有限元方法和多级分解理论分析本发明的纳米光学天线，仿真计算中波长范围为510nm-1300nm。仿真中采用的材料为材料库中的Si(Silicon)-Palik材料作为高介电材料。
本发明中的光学纳米天线在可见光范围内和近红外范围内都有明显的共振峰，都可以产生单向性散射。基于有限元数值方法，将纳米粒子的多极贡献作为其散射截面计算的组成。图2显示了多极对单个硅纳米球三聚体散射截面的贡献，给出的多极子分别是磁偶极矩MD，磁四级矩MQ，电偶极矩ED，电四极矩EQ和环形偶极矩TD的散射截面，其中磁四极矩MQ对总散射截面Sum Scat的贡献几乎为零，每一个多极矩的辐射能量可表示为
P＝∫P(r′)dr′ (1)
Figure GDA0002813375820000061
Qe＝3∫[r′P(r′)+P(r′)r′]dr′ (3)
Figure GDA0002813375820000062
Figure GDA0002813375820000063
其中T为环形偶极矩(TD)、P为电偶极矩，Qe为电四极矩(EQ)M为磁偶极矩(MD)和Qm磁四极矩(MQ)。
由附图2可以看出，ED，TD，MD，EQ对总散射截面的贡献显著，而MQ的独立贡献接近于零。在光学纳米天线的工作波长范围内共有两个等离子体共振峰，一个在可见光区域545nm，另一个在近红外区域836nm，共振峰的产生可以用多极分解来解释，当不同多极的贡献被调谐到光谱叠谱时，多极之间的干扰就会产生等离子体共振。这两个范围内的共振峰是都由硅纳米球三聚体的TD，ED，EQ，MD的共同影响造成的，但是545nm处的共振峰主要是由TD影响造成的，其余三个多极影响基本相同，但是836nm处的共振峰主要是由于ED产生的，其余三个多极的贡献大小基本相同。
由附图3可知，前向散射光谱(FS)和前向散射/后向散射光谱(FS/BS)在可见区域和近红外区域分别有两个共振峰，且FS光谱与FS/BS光谱发生共振的位置在可见光区域基本吻合，在近红外区域完全吻合。FS/BS的两个共振峰峰位为577nm和896nm，在896nm处的最大值为12.49，意味着前向散射被大幅提高，反向散射被大幅度抑制，方向性得到了有效实现。图4中FS/BS曲线的最高点与K曲线中的虚部和实部的交点相吻合。根据广义Kerker条件，当满足下式(6)时，
Figure GDA0002813375820000071
散射的方向性会被增强，结合FS/BS的两个共振峰可以清晰的看到，在硅纳米球三聚体中，在高阶矩的适当平衡下，完全可以满足广义Kerker条件，得到方向性良好的光学纳米天线。
本发明的光学纳米天线的磁场和电场增强轮廓图如图5-12所示。从图5-8的磁场分布图可以看出强烈的磁场主要在硅纳米球球体内部产生，给出的在2个明显的总散射截面的共振峰峰位的磁场强度分布，当波长为545nm时，沿y轴的两个硅纳米球内部分别产生了两个磁热点，而当波长为836nm时，仅有沿x＝y轴两侧对称的硅纳米球分别产生了一个磁热点。在FS/BS曲线的最高点波长为896nm时，仅有一个硅纳米球内部产生了一个磁热点，而选取了一个MD共振峰峰位735nm时，产生了两个磁热点，且硅纳米球的形状不是很明确的球形。从图9-12中的电场轮廓增强图中可以看到电场主要集中在硅纳米球三聚体之间的间隙部分，当波长为835nm和896nm时，光学天线表面的电流密度呈现出环形。
图13-18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。可以看出当波长为577nm，896nm，985nm时，本发明的纳米天线均呈现出强烈的方向性，后向散射得到了抑制甚至是完全的衰减。由此证明了本发明的硅纳米球三聚体结构光学天线具有单向性。
实施例二
纳米球的直径D为200nm。
实施例三
纳米球的直径D为280nm
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 (6)

1.一种基于硅纳米球三聚体的单向性光学纳米天线结构，其特征在于：所述天线结构由三个纳米球以沿x＝y轴对称的形式构成，三个纳米球的直径D为200-280nm，位于对称轴两侧的纳米球与位于对称轴心的纳米球之间的距离为0；所述纳米球的材质为硅。
2.根据权利要求1所述的一种基于硅纳米球三聚体的单向性光学纳米天线结构，其特征在于：所述纳米球的直径D为240nm。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于硅纳米球三聚体的单向性光学纳米天线结构，其特征在于：所述纳米天线结构的背景折射率为常数1，硅纳米球三聚体纳米天线在外场的激发下，会产生局域表面等离子体共振现象。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于硅纳米球三聚体的单向性光学纳米天线结构，其特征在于：所述学纳米天线结构的入射光为平面波，波矢平行于X轴方向，偏振平行于Y轴方向，磁场方向平行于Z轴。
5.根据权利要求1或2所述的一种基于硅纳米球三聚体的单向性光学纳米天线结构，其特征在于：所述纳米天线结构支持电偶极、电四级共振，磁偶极和环形偶极共振中的任意一种。
6.根据权利要求1或2所述的一种基于硅纳米球三聚体的单向性光学纳米天线结构，其特征在于：所述光学纳米天线结构中不同共振模式响应的耦合作用导致高介电材料硅纳米球三聚体结构磁热点的产生。
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