CN110441114B - 一种双棒平面微纳金属结构 - Google Patents

一种双棒平面微纳金属结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及微纳光学技术领域，具体涉及一种双棒平面微纳金属结构，微纳金属结构由不少于一个的完全相同的结构单元按矩形周期阵列组合而成，每个结构单元包括矩形条Ⅰ、矩形条Ⅱ和矩形块，矩形条Ⅰ和矩形条Ⅱ平行设置，矩形条Ⅰ的上端面与矩形条Ⅱ的上端面处于同一水平面，矩形条Ⅰ的下端面与矩形条Ⅱ的下端面处于不同水平面，矩形块设于矩形条Ⅱ上，矩形块设于矩形条Ⅰ与矩形条Ⅱ之间，矩形条Ⅰ、矩形条Ⅱ和矩形块均由贵金属材料制成。本发明的微纳金属结构，由两个金属条和一个金属块组成，结构简单，易于制备，具有很好的应用前景，为实现平面结构的圆二色性的研究提供了一种新的思路。

Description

一种双棒平面微纳金属结构
技术领域
本发明属于微纳光子学技术领域，具体涉及一种双棒平面微纳金属结构。
背景技术
手性是指其自身不能与镜像完全重合的性质，其中手性物质与其镜像互称为手性对应体。自然界中很多物质的结构都具有手性，如蛋白质，DNA等。手性对生命的意义尤为重要，所以探测物质的手性成为众多科研工作者研究的热点。通常利用圆二色性（CircularDichroism，CD）来探测物质或结构的手性，CD为手性介质对于不同的圆偏振光的吸收率不同，其吸收率的差值即为圆二色性，如图2所示。
由于生物分子等手性信号微弱，且通常位于近紫外波段，肉眼无法直接观察，不便于探测，所以通过研究人造金属手性结构的性质从而更加深入的了解手性的性质及产生圆二色性的本质变得十分重要。
传统实现圆二色性的金属手性结构大多采用三维结构，通常该类结构的
每一层并不具备手性，但由于层与层之间存在旋转角或相对位移，使得整个结构具备了手性。对于这种多层的手性结构一般都具备良好的圆二色性，但是由于其结构复杂，在实验中一般都难以制备，实际生产制造难度更大。
单层手性结构也具备圆二色性，并且制备方法相对于双层和多层结构都比较容易。而通常平面手性结构产生CD信号通常需要复杂的结构。
发明内容
为了解决现有技术中存在的产生CD信号的平面手性结构复杂，不易制备的问题，本发明提供了一种双棒平面微纳金属结构，利用两根矩形条和一个矩形块组成的简单的手性结构即可产生比较强的CD信号。并且，矩形条和矩形块之间形成的S型的磁偶极子为产生平面手性结构产生CD信号提供了新的思路。
本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
一种双棒平面微纳金属结构，所述微纳金属结构由不少于一个的完全相同的结构单元按矩形周期阵列组合而成；所述每个结构单元包括矩形条Ⅰ、矩形条Ⅱ和矩形块；所述矩形条Ⅰ和矩形条Ⅱ平行设置；所述矩形条Ⅰ的上端面与矩形条Ⅱ的上端面处于同一水平面；所述矩形条Ⅰ的下端面与矩形条Ⅱ的下端面处于不同水平面；所述矩形块设于所述矩形条Ⅱ上；所述矩形块设于矩形条Ⅰ与矩形条Ⅱ之间；所述矩形条Ⅰ、矩形条Ⅱ和矩形块均由贵金属材料制成。
进一步地，所述矩形条Ⅰ与所述矩形条Ⅱ间隔为8~15nm；所述矩形块设于所述矩形条Ⅱ的非两端位置。
进一步地，所述矩形条Ⅰ、矩形条Ⅱ与所述矩形块的厚度均相同；所述矩形条Ⅰ与所述矩形条Ⅱ的宽度相同；所述矩形条Ⅰ的长度为所述矩形条Ⅱ长度的1.5倍；所述矩形块的长度为所述矩形条Ⅱ长度的0.05倍；所述矩形块的宽度为所述矩形条Ⅱ宽度的0.125倍。
进一步地，所述矩形条Ⅰ的长度l 1 = 300nm，矩形条Ⅱ的长度l 2 = 200nm，矩形块的长度为l 3 = 10nm；所述矩形条Ⅰ和矩形条Ⅱ的宽度w 1 = w 2 = 40nm，矩形块的宽度为w 3=5nm；所述矩形条Ⅰ、矩形条Ⅱ和矩形块的厚度均为30nm。
进一步地，所述贵金属材料为金或者银材料。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1.本发明双棒平面微纳金属结构，由两个矩形条和一个矩形块组成，结构简单，易于制备，具有很好的应用前景，为实现平面结构的圆二色性研究提供了一种新的思路。
2.本发明双棒平面微纳金属结构，通过在两个金属矩形条与矩形块之间形成S型磁偶极子，从而产生圆二色性信号，机理简单清晰，易于探索分析。
附图说明
图1是本申请实施例1双棒平面微纳金属结构示意图；
图2是本申请实施例双棒平面微纳金属结构圆二色性信号产生原理图；
图3是本申请实施例1双棒平面微纳金属结构立体结构示意图；
图4是本申请实施例1中双棒平面微纳金属结构吸收光谱及圆二色性光谱图；
图5是本申请实施例1中双棒平面微纳金属结构在CD最大处的电流分布；
图6是本申请实施例3中目标样品与对比样品圆二色性光谱对比图；
图7是本申请实施例4中目标样品与对比样品圆二色性光谱对比图；
图8是本申请实施例5中目标样品与对比样品圆二色性光谱对比图；
图中：1、矩形条Ⅰ；2、矩形条Ⅱ；3、矩形块。
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：
为解决现有技术中存在的现有平面手性结构复杂的问题，本实施例提供了一种双棒平面微纳金属结构，如图1所示，微纳金属结构由不少于一个的完全相同的结构单元按矩形周期阵列组合而成，每个结构单元包括矩形条Ⅰ1、矩形条Ⅱ2和矩形块3，矩形条Ⅰ1和矩形条Ⅱ2平行设置，矩形条Ⅰ1的上端面与矩形条Ⅱ2的上端面处于同一水平面，矩形条Ⅰ1的下端面与矩形条Ⅱ2的下端面处于不同水平面，所述矩形块3设于所述矩形条Ⅱ2上；所述矩形块(3)设于矩形条Ⅰ1与矩形条Ⅱ2之间，矩形条Ⅰ1、矩形条Ⅱ2和矩形块3均由贵金属材料制成。
具体而言：如图1(a)、图1(b)、图1(c)和图3所示，矩形条Ⅰ1与矩形条Ⅱ2间隔为8~15nm，矩形块3设于矩形条Ⅱ2的非两端位置。矩形条Ⅰ1、矩形条Ⅱ2与矩形块3的厚度均相同，矩形条Ⅰ1与矩形条Ⅱ2的宽度相同，矩形条Ⅰ1的长度为矩形条Ⅱ2长度的1.5倍，矩形块3的长度为矩形条Ⅱ2长度的0.05倍，矩形块3的宽度为矩形条Ⅱ2宽度的0.125倍。
本实施例双棒平面微纳金属结构为平面手性结构，当入射光照射本实施例双棒平面微纳金属结构时，对左、右旋圆偏振光产生不同的吸收从而产生圆二色性。
实施例2：
基于实施例1公开的一种双棒平面微纳金属结构，本实施例通过COMSOLMultiphysics进行仿真模拟试验,具体参数如下：
如图1(a)和图1(c)所示，周期边长为Px=300nm，Py=400nm，矩形条Ⅰ1的长度l 1 =300nm，矩形条Ⅱ2的长度l 2 = 200nm，矩形块3的长度为l 3 = 10nm，矩形条Ⅰ1和矩形条Ⅱ2的宽度w 1 = w 2 = 40nm，矩形块3的宽度为w 3= 5nm，矩形条Ⅰ1、矩形条Ⅱ2和矩形块3的厚度均为30nm。贵金属材料为金材料。
如图4所示，为本申请实施例双棒平面微纳金属结构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4中我们可以清楚的看到：分别用左旋偏振光和右旋偏振光照射本实施例双棒平面微纳金属结构，在λ=680nm，λ=780nm，λ=980nm和λ=1360nm处分别出现四个吸收峰，其中λ=780nm处，A-=17.1%，A+=27.8%，出现较为明显的差异，因此导致在该λ=800nm处，出现一个明显的CD谷，其大小为：CD=10.7%。
为了进一步说明本实施例双棒平面微纳金属结构产生圆二色性的原理，本实施例公开了在吸收峰λ=780nm处的电流分布，如图5所示：
在左旋圆偏振光照射时，矩形条Ⅰ1，矩形条Ⅱ2和矩形块3以及矩形条Ⅰ1和矩形条Ⅱ2之间的间隙处的电流形成S型的磁偶极子，其电流方向由矩形条Ⅰ1经过间隙和矩形块3流向矩形条Ⅱ2；而在右旋圆偏振光的照射下，矩形条Ⅰ1，矩形条Ⅱ2和矩形块3以及矩形条Ⅰ1和矩形条Ⅱ2之间的间隙处的电流形成S型的磁偶极子，其电流方向由矩形条Ⅱ2经过矩形块3和间隙流向矩形条Ⅰ1，当左右旋光分别照射本实施例双棒平面微纳金属结构时，电流方向不同，强度也不同，从而产生不同的耗散，从而使得本实施例微纳金属结构对左旋和右旋圆偏振光的吸收不同，造成了一个较大的CD信号的产生。
实施例3：
基于实施例1和实施例2公开的双棒平面微纳金属结构，本实施例公开了一种双棒平面微纳金属结构的应用，具体包括以下步骤：
步骤1，采用电子束刻蚀技术制作两个微型样品台，分别称之为对比样品台和目标样品台。要求这两个样品台由权利要求1所述的矩形条Ⅰ1和矩形条Ⅱ2组成；
步骤2，将采集到的微粒输送到目标样品台上，在对比样品台上没有微粒，对目标样品台和对比样品台进行光谱测量，所得圆二色性信号作为判断是否存在微粒的依据。
步骤3，将采集到的另一微粒输送到目标样品台上，对比样品台上为步骤2的目标样品，对目标样品台和对比样品台进行光谱测量，所得圆二色性信号作为判断微粒所处位置的依据。
步骤4，将采集到的另一微粒输送到目标样品台上，对比样品台上为步骤3的目标样品，对目标样品台和对比样品台进行光谱测量，所得圆二色性信号作为判断微粒大小的依据。
具体而言：
在本实施例中，若待测微粒填充在矩形条Ⅰ1和矩形条Ⅱ2之间的间隙处，微粒的引入也会引起微纳金属结构手性的改变，从而引起微纳金属结构CD大小和位置的变化。由于不同微粒大小、位置会对应不同的CD信号，因此可以直接通过测量微纳金属结构的CD信号来测量是否存在微粒，微粒所处位置以及微粒大小。
特别的，本实施例使用三维有限元方法（FEM）计算软件COMSOL Multiphysics进行模拟试验。
其中，目标样品采用参数如下：矩形条Ⅰ1的长度为l 1 = 300nm，矩形条Ⅱ2的长度为l 2 = 200nm，待测微粒长度为l 3 = 10nm；矩形条Ⅰ1和矩形条Ⅱ2的宽度w 1 = w 2 = 40nm，待测微粒的宽度为w 3 = 5nm；矩形条Ⅰ1、矩形条Ⅱ2和待测微粒的厚度为30nm。待测微粒所处位置与实施例1中矩形块3的位置一样。
对比样品采用参数如下：矩形条Ⅰ1的长度为l 1 = 300nm，矩形条Ⅱ2的长度为l 2 =200nm；矩形条Ⅰ1和矩形条Ⅱ2的宽度w 1 = w 2 = 40nm；矩形条Ⅰ1、矩形条Ⅱ2的厚度为30nm。
如图6所示，为本申请实施例目标样品和对比样品的圆二色性光谱对比图。从图中我们可以清楚的看到：
目标样品相对于对比样品的谱线发生红移。且对比样品最大CD出现在760nm处，其CD值为8.1%；而目标样品最大CD出现在800nm处，其CD值为10.7%。
本实施例中的微纳金属结构可以实现对是否存在微粒的测量，操作简单方便，为探测微粒的研究提供了一种新的思路。
实施例4：
基于实施例3微纳金属结构的应用步骤，使用三维有限元方法（FEM）计算软件COMSOL Multiphysics进行计算模拟试验。
其中，目标样品采用参数如下：矩形条Ⅰ1的长度为l 1 = 300nm，矩形条Ⅱ2的长度为l 2 = 200nm，待测微粒长度为l 3 = 10nm；矩形条Ⅰ1和矩形条Ⅱ2的宽度w 1 = w 2 = 40nm，待测微粒的宽度为w 3 = 5nm；矩形条Ⅰ1、矩形条Ⅱ2和待测微粒的厚度为30nm。待测微粒位于矩形条Ⅰ1和矩形条Ⅱ2之间间隙中间。
对比样品采用参数如下：矩形条Ⅰ1的长度为l 1 = 300nm，矩形条Ⅱ2的长度为l 2 =200nm，待测微粒长度为l 3 = 10nm；矩形条Ⅰ1和矩形条Ⅱ2的宽度w 1 = w 2 = 40nm，待测微粒的宽度为w 3 = 5nm；矩形条Ⅰ1、矩形条Ⅱ2和待测微粒的厚度为30nm。待测微粒所处位置与实施例1中矩形块3的位置一样。
所述矩形条Ⅰ1，矩形条Ⅱ2和待测微粒由贵金属材料制成，优选地，本实施例矩形条Ⅰ1，矩形条Ⅱ2和待测微粒由Au制成。
如图7所示，为本申请实施例目标样品和对比样品的圆二色性光谱对比图。从图中我们可以清楚的看到：
目标样品相对于对比样品的谱线蓝移。且对比样品最大CD出现在800nm处，其CD值为10.7%；而目标样品最大CD出现在780nm处，其CD值为8.2%
本实施例中的微纳金属结构可以实现对微粒位置的测量，操作简单方便，为探测微粒的研究提供了一种新的思路。
实施例5：
基于实施例2微纳金属结构的应用步骤，使用三维有限元方法（FEM）计算软件COMSOL Multiphysics进行计算模拟试验。
其中，目标样品采用参数如下：矩形条Ⅰ1的长度为l 1 = 300nm，矩形条Ⅱ2的长度为l 2 = 200nm，待测微粒长度为l 3 = 10nm；矩形条Ⅰ1和矩形条Ⅱ2的宽度w 1 = w 2 = 40nm，待测微粒的宽度为w 3 = 10nm；矩形条Ⅰ1、矩形条Ⅱ2和待测微粒的厚度为30nm。待测微粒位于矩形条Ⅰ1和矩形条Ⅱ2之间间隙的中间。
对比样品采用参数如下：矩形条Ⅰ1的长度为l 1 = 300nm，矩形条Ⅱ2的长度为l 2 =200nm，待测微粒长度为l 3 = 10nm；矩形条Ⅰ1和矩形条Ⅱ2的宽度w 1 = w 2 = 40nm，待测微粒的宽度为w 3 = 5nm；矩形条Ⅰ1、矩形条Ⅱ2和待测微粒的厚度为30nm。待测微粒位于矩形条Ⅰ1和矩形条Ⅱ2之间间隙的正中间。
所述矩形条Ⅰ1，矩形条Ⅱ2和待测微粒由贵金属材料制成，优选地，本实施例矩形条Ⅰ1，矩形条Ⅱ2和待测微粒由Au制成。
如图8所示，为本申请实施例目标样品和对比样品的圆二色性光谱对比图。从图中我们可以清楚的看到：目标样品与对比样品CD曲线截然不同。其中，对比样品最大CD出现在780nm处，其CD值为8.2%；而目标样品最大CD出现在1800nm处，其CD值为10.7%。
本实施例中的微纳金属结构可以实现对微粒大小的测量，操作简单方便，为探测微粒的研究提供了一种新的思路。
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 (5)

1.一种双棒平面微纳金属结构，其特征在于：所述微纳金属结构由不少于一个的完全相同的结构单元按矩形周期阵列组合而成；
所述每个结构单元包括矩形条Ⅰ(1)、矩形条Ⅱ(2)和矩形块(3)；所述矩形条Ⅰ(1)和矩形条Ⅱ(2)平行设置；所述矩形条Ⅰ(1)的上端面与矩形条Ⅱ(2)的上端面处于同一水平面；所述矩形条Ⅰ(1)的下端面与矩形条Ⅱ(2)的下端面处于不同水平面；
所述矩形块(3)设于所述矩形条Ⅱ(2)上；所述矩形块(3)设于矩形条Ⅰ(1)与矩形条Ⅱ(2)之间；
所述矩形条Ⅰ(1)、矩形条Ⅱ(2)和矩形块(3)均由贵金属材料制成；
在左旋圆偏振光照射时，所述矩形条Ⅰ(1)、所述矩形条Ⅱ(2)和所述矩形块(3)以及所述矩形条Ⅰ(1)和所述矩形条Ⅱ(2)之间的间隙处的电流形成S型的磁偶极子，其电流方向由所述矩形条Ⅰ(1)经过间隙和所述矩形块(3)流向所述矩形条Ⅱ(2)；而在右旋圆偏振光的照射下，所述矩形条Ⅰ(1)、所述矩形条Ⅱ(2)和所述矩形块(3)以及所述矩形条Ⅰ(1)和所述矩形条Ⅱ(2)之间的间隙处的电流形成S型的磁偶极子，其电流方向由所述矩形条Ⅱ(2)经过所述矩形块(3)和间隙流向所述矩形条Ⅰ(1)。
2.根据权利要求1所述的双棒平面微纳金属结构，其特征在于：所述矩形条Ⅰ(1)与所述矩形条Ⅱ(2)间隔为8~15nm；所述矩形块(3)设于所述矩形条Ⅱ(2)的非两端位置。
3.根据权利要求2所述的双棒平面微纳金属结构，其特征在于：所述矩形条Ⅰ(1)、矩形条Ⅱ(2)与所述矩形块(3)的厚度均相同；所述矩形条Ⅰ(1)与所述矩形条Ⅱ(2)的宽度相同；所述矩形条Ⅰ(1)的长度为所述矩形条Ⅱ(2)长度的1.5倍；所述矩形块(3)的长度为所述矩形条Ⅱ(2)长度的0.05倍；所述矩形块(3)的宽度为所述矩形条Ⅱ(2)宽度的0.125倍。
4.根据权利要求3所述的双棒平面微纳金属结构，其特征在于：所述矩形条Ⅰ(1)的长度l 1 = 300nm，矩形条Ⅱ(2)的长度l 2 = 200nm，矩形块(3)的长度为l 3 = 10nm；所述矩形条Ⅰ(1)和矩形条Ⅱ(2)的宽度w 1 = w 2 = 40nm，矩形块(3)的宽度为w 3= 5nm；所述矩形条Ⅰ(1)、矩形条Ⅱ(2)和矩形块(3)的厚度均为30nm。
5.根据权利要求1所述的双棒平面微纳金属结构，其特征在于：所述贵金属材料为金或者银材料。
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