CN110824603B - 一种用于定向辐射荧光的纳米手性光学天线及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于定向辐射荧光的纳米手性光学天线及制备方法，包括衬底、金属微结构和自由电子。金属微结构的手性单元按照一定的方式排布在衬底上，自由电子则垂直打在金属微结构上。本发明通过用不同能量的自由电子来激励手性金属微结构产生手性阴极荧光辐射，然后利用纳米手性光学天线阵列结构对电磁波的导向作用来对产生的手性偏振光的发射方向进行控制。本发明成功将不同手性的阴极荧光发射到不同的空间立体角上，实现了左旋与右旋偏振光的分离，并可以通过改变单元的排布来控制发射的角度，提升了亚波长尺度手性偏振光的可操作性，便于降低光电器件的尺寸，提高集成性。

Description

一种用于定向辐射荧光的纳米手性光学天线及制备方法
技术领域
本发明涉及手性光学天线调控光场的技术，具体指一种用于定向辐射荧光的纳米手性光学天线及制备方法。
背景技术
随着光电探测器件的小型化与集成化发展要求能在纳米尺度对光的手性偏振态进行控制，而人工微结构具有强大的光子操控能力并且能够在纳米尺度对光子的振幅、相位、偏振、自旋角动量进行几乎任意的控制从而在通过光学手段提高探测器电学性能上展现出巨大的潜力。
传统光学器件尺寸较大并且存在衍射极限制约了其小型化与集成化的发展。而自由电子激励金属微结构产生的表面等离激元可以突破衍射极限，利用光子与金属表面电子在纳米尺度的耦合作用，可以将光场的调控限制在亚波长尺度，从而解决了光子器件之间因波长差异导致的尺寸差异问题。另一方面通过结合人工微结构独特的光场调控能力便能对电子激励产生的表面等离激元进行任意调制，从而可以省去一些后续较为繁琐且笨重的透镜等空间分立光学元件的使用，有利于器件往小型化与集成化方向的发展。
目前量子通信、手性分子检测等都需要在纳米尺度对光的手性偏振态及发射方向进行控制。自然界中手性材料的手性共振相对较弱，而自由电子激励人工微结构产生的局域表面等离激元对手性共振具有增强效果，并且局域表面等离激元衰变产生的阴极荧光辐射会带有相应的偏振信息，因此通过利用纳米光学天线阵列结构可以对不同偏振的阴极荧光辐射的发射方向进行调控。纳米光学天线可以在近场与远场之间形成相互作用，在接收模式下可以将大范围的光聚集到局域接收器上，在传输模式下可以实现远场的定向发射，因此被广泛用于太阳能电池、抗反射涂层等方面。大多纳米光学天线的设计原理都来源于射频微波领域，其中具有代表性的八木天线对电磁波拥有优良的导向作用。传统八木天线通常由反射器，激励元和导向器构成，利用相位相消相长原理实现电磁波的单向发射。后有研究表明可以用纳米等离子共振单元来组成类八木天线实现光场的定向发射。本发明则是基于该理论在可见光及近红外波段利用类八木天线阵列结构尝试在纳米尺度对阴极荧光辐射的手性偏振态及辐射方向进行调控。
发明内容
本发明主要针对在纳米光学器件集成化及小型化进程中对纳米尺度手性偏振光的控制方面面临的难题，提供了一种利用手性光学天线将自由电子与微结构作用产生的手性阴极荧光在不同的空间立体角实现定向发射的方法，从而为量子通信、生物分子检测等领域在纳米尺度操控手性偏振光提供了一种新的思路。
本发明所公开的手性光学天线结构，包括衬底1、金属微结构2、自由电子3。在所述的衬底1上建立金属微结构2并通过自由电子3在金属微结构2中单元中心及附近位置进行激励产生阴极荧光辐射。
所述的衬底1为二氧化硅、硅、氟化物、蓝宝石、铌酸锂、镓砷或铟磷。
所述的金属微结构2为金、银或铝。
所述的自由电子3为30KeV～100KeV的自由电子，垂直作用于金属微结构2的中心位置或其附近某个位置。
本发明提供一种纳米手性光学天线阵列结构的建立方法，包括以下步骤：
1、在衬底1上用正胶电子束光刻形成光学手性天线阵列图案，每个单元尺寸为300nm×300nm～600nm×600nm，每个单元结构的中心间距为275nm～650nm，天线阵列结构的总长度为1400nm～3200nm。
2、利用等离子体增强化学气相沉积法或电子束蒸发的方法形成一层厚30nm～100nm的金属微结构2，其中每个单元的圆柱半径范围为50nm～110nm，椭圆长轴范围为80nm～100nm，短轴范围为30nm～50nm。六个椭圆依次比前一个倾斜60°顺次形成中心对称结构。六个椭圆的中心距圆柱的中心范围为100nm～240nm。
3、最后经过剥离形成本专利的手性天线阵列然后用紫外臭氧清洗金属微结构2的表面。
采用了上述技术方案后，本发明具有以下的有益效果:
电子激励金属微结构产生阴极荧光辐射的手性偏振态对激励位置十分敏感，通过改变激励位置可以实现手性偏振态的控制，并且改变手性单元的排布可以将不同的手性的阴极荧光辐射在不同空间立体角实现定向发射，提升了亚波长尺度手性偏振光的可操作性。
附图说明
为了使本发明的内容更加容易地被理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1为本发明中实施例1中的左旋手性光学天线的结构示意图；
图2为本发明中实施例1中自由电子激励五个左旋单元组成的类八木天线阵列结构最左边单元中心的阴极荧光辐射手性分布图；
图3为本发明中实施例1中自由电子激励五个左旋单元组成的类八木天线阵列结构最左边单元中心的左旋和右旋偏振辐射强度与θ角的关系图；
图4为本发明中实施例2中的混合手性光学天线的结构示意图；
图5为本发明中实施例2中自由电子激励三个左旋单元和两个右旋单元组成的类八木天线阵列结构中间单元中心位置的阴极荧光辐射手性分布图；
图6为本发明中实施例2中自由电子激励三个左旋单元和两个右旋单元组成的类八木天线阵列结构中间单元中心位置的左旋和右旋偏振辐射强度与θ角的关系图；
图7为本发明中实施例3中的对称手性光学天线的结构示意图；
图8为本发明中实施例3中自由电子激励两个左旋单元两个右旋单元和一个对称单元组成的类八木天线阵列结构中间单元中心位置的阴极荧光辐射手性分布图；
图9为本发明中实施例3中自由电子激励两个左旋单元两个右旋单元和一个对称单元组成的类八木天线阵列结构中间单元中心位置的右旋偏振辐射强度与θ角的关系图；
附图中标号为：
1衬底；
2金属微结构；
3自由电子；
具体实施方式
实施例1
见图1，一种用于定向辐射荧光的纳米手性光学天线，包括衬底1、金属微结构2和自由电子3。
金纳米微结构2建立在二氧化硅衬底1上，金纳米微结构是由五个左旋手性单元构成的类八木天线阵列结构，五个单元结构尺寸完全一致都为300nm×300nm×30nm，每个单元结构的中心间距为275nm，类八木天线阵列结构的总长度为1400nm。30KeV自由电子3垂直激励阵列结构最左边单元的中心位置，通过距衬底100nm高的监视器提取数据投影到1m外的远场然后提取电场的Eθ、
Figure BDA0002267586600000051
然后在上半球空间积分，分别计算左旋光(LCP)和右旋光(RCP)的强度。
Figure BDA0002267586600000052
Figure BDA0002267586600000053
在研究阴极荧光远场辐射方向时，由于电子在其中一个单元的激励导致在其它位置的微结构感应出偶极矩，其它的微结构等效为一个偶极子。如此以来，每个微结构的偶极矩除了受入射电子影响以外还受其余结构的影响，由于多个偶极子的耦合作用导致产生的阴极荧光辐射发射到远离电子激励的位置。
上述纳米手性光学天线阵列结构的建立方法，包括以下步骤：
1、在二氧化硅衬底上用正胶电子束光刻形成光学手性天线阵列图案，每个单元尺寸为300nm×300nm，每个单元结构的中心间距为275nm，天线阵列结构的总长度为1400nm。
2、利用等离子体增强化学气相沉积法或电子束蒸发的方法形成一层厚30nm的金的微结构，其中每个单元的圆柱半径为50nm，椭圆长轴为100nm，短轴为50nm。六个椭圆依次比前一个倾斜60°顺次形成中心对称结构。六个椭圆的中心距圆柱的中心100nm。
3、最后经过剥离形成本专利的手性天线阵列然后用紫外臭氧清洗金属微结构的表面。
图1为该手性光学天线的结构示意图；图2为自由电子激励左边得到的左旋与右旋偏振的强度分布，其中左旋强度的峰值为867nm；图3为左旋和右旋偏振辐射强度与θ角的关系图；可见左旋与右旋中心位置都在55°方向，此外并且左旋与右旋分别偏向了
Figure BDA0002267586600000061
为35°、325°的方向。。
实施例2
见图4，一种用于定向辐射荧光的纳米手性光学天线，包括衬底1、金属微结构2和自由电子3。
银纳米微结构2建立在二氧化硅衬底1上，银纳米微结构是由三个左旋单元和两个右旋单元构成的类八木天线阵列结构，五个单元结构尺寸完全一致都为400nm×400nm×100nm，每个单元结构的中心间距为450nm，类八木天线阵列结构的总长度为2200nm。50KeV的自由电子3垂直作用于中间单元圆柱的中心位置，通过距衬底100nm高的监视器提取数据投影到1m外的远场然后提取电场的Eθ、
Figure BDA0002267586600000062
然后在上半球空间积分，分别计算左旋光(LCP)和右旋光(RCP)的强度。
Figure BDA0002267586600000063
Figure BDA0002267586600000064
在研究阴极荧光远场辐射方向时，由于电子在其中一个单元的激励导致在其它位置的微结构感应出偶极矩，其它的微结构等效为一个偶极子。如此以来，每个微结构的偶极矩除了受入射电子影响以外还受其余结构的影响，由于多个偶极子的耦合作用导致产生的阴极荧光辐射发射到远离电子激励的位置。
上述纳米手性光学天线阵列结构的建立方法，包括以下步骤：
1、在二氧化硅衬底上用正胶电子束光刻形成光学手性天线阵列图案，每个单元尺寸为400nm×400nm，每个单元结构的中心间距为420nm，天线阵列结构的总长度为2200nm。
2、利用等离子体增强化学气相沉积法或电子束蒸发的方法形成一层厚100nm的银的微结构，其中每个单元的圆柱半径为80nm，椭圆长轴为80nm，短轴为30nm。六个椭圆依次比前一个倾斜60°顺次形成中心对称结构。六个椭圆的中心距圆柱的中心150nm。
3、最后经过剥离形成本专利的手性天线阵列然后用紫外臭氧清洗金属微结构的表面。
图4为该手性光学天线的结构示意图；图5为自由电子激励中间位置得到的左旋与右旋偏振的强度分布，其中左旋强度的峰值为660nm；图6为左旋和右旋偏振辐射强度与θ角的关系图；可见左旋与右旋偏折方向都在36°和60°方向，此外左旋与右旋最强峰分别大致在
Figure BDA0002267586600000071
为180°、90°方向。
实施例3
见图7，一种用于定向辐射荧光的纳米手性光学天线，包括衬底1、金属微结构2和自由电子3。
铝纳米微结构2建立在氟化镁衬底1上，铝纳米微结构是由两个左旋单元两个右旋和一个对称型单元构成的类八木天线阵列结构，五个单元结构尺寸都为600nm×600nm×70nm，每个单元结构的中心间距为650nm，类八木天线阵列结构的总长度为3200nm。100KeV的自由电子3垂直作用于中间单元圆柱的中心，通过距衬底100nm高的监视器提取数据投影到1m外的远场然后提取电场的Eθ、
Figure BDA0002267586600000072
然后在上半球空间积分，分别计算左旋光(LCP)和右旋光(RCP)的强度。
Figure BDA0002267586600000073
Figure BDA0002267586600000074
在研究阴极荧光远场辐射方向时，由于电子在其中一个单元的激励导致在其它位置的微结构感应出偶极矩，其它的微结构等效为一个偶极子。如此以来，每个微结构的偶极矩除了受入射电子影响以外还受其余结构的影响，由于多个偶极子的耦合作用导致产生的阴极荧光辐射发射到远离电子激励的位置。
上述纳米手性光学天线阵列结构的建立方法，包括以下步骤：
1、在氟化镁衬底上用正胶电子束光刻形成光学手性天线阵列图案，每个单元尺寸为600nm×600nm，每个单元结构的中心间距为650nm，天线阵列结构的总长度为3200nm。
2、利用等离子体增强化学气相沉积法或电子束蒸发的方法形成一层厚70nm的铝的微结构，其中每个单元的圆柱半径为110nm，椭圆长轴为110nm，短轴为50nm。六个椭圆依次比前一个倾斜60°顺次形成中心对称结构。六个椭圆的中心距圆柱的中心240nm。
3、最后经过剥离形成本专利的手性天线阵列然后用紫外臭氧清洗金属微结构的表面。
图7为该手性光学天线的结构示意图；图8为自由电子激励中间位置得到的左旋与右旋偏振的强度分布，其中左旋与右旋强度的峰值为565nm；图9为左旋和右旋偏振辐射强度与θ角的关系图；可见左旋与右旋主峰中心位置都在60°方向，次峰出现的原因与结构尺寸和衬底有关，此外左旋与右旋分别偏向了不同的方向，主峰分别大致在
Figure BDA0002267586600000081
为55°、125°及其对称方向。

Claims (2)

1.一种用于定向辐射荧光的纳米手性光学天线，包括衬底(1)、金属微结构(2)、自由电子(3)，其特征在于：
所述的光学天线结构为：在所述的衬底(1)上建立金属微结构(2)，金属微结构(2)为由五个手性单元构成的类八木天线阵列结构，自由电子(3)作用于金属微结构的圆柱中心位置；
所述的衬底(1)为二氧化硅、硅、氟化物、蓝宝石、铌酸锂、镓砷或铟磷；
所述的金属微结构(2)为金、银或铝，厚度为30nm～100nm；
所述的自由电子(3)为30KeV～100KeV的电子，垂直作用于金属微结构(2)的中心位置或其附近某个位置。
2.一种制备如权利要求1所述的用于定向辐射荧光的纳米手性光学天线的方法，其特征在于包括以下步骤：
1)在衬底(1)上用正胶电子束光刻形成光学手性天线阵列图案，每个单元尺寸为300nm×300nm～600nm×600nm，每个单元结构的中心间距为275nm～650nm，天线阵列结构的总长度为1400nm～3200nm；
2)利用等离子体增强化学气相沉积法或电子束蒸发的方法形成一层厚30nm～100nm的金属微结构(2)，其中每个单元的圆柱半径范围为50nm～110nm，椭圆长轴范围为80nm～100nm，短轴范围为30nm～50nm，六个椭圆依次比前一个倾斜60°顺次形成中心对称结构，六个椭圆的中心距圆柱的中心范围为100nm～240nm；
3)最后经过剥离形成所述天线阵列然后用紫外臭氧清洗金属微结构(2)的表面。
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