CN114112933B - 一种动态可调的超窄带手性复合纳米装置 - Google Patents

一种动态可调的超窄带手性复合纳米装置 Download PDF

Info

Publication number
CN114112933B
CN114112933B CN202111336611.XA CN202111336611A CN114112933B CN 114112933 B CN114112933 B CN 114112933B CN 202111336611 A CN202111336611 A CN 202111336611A CN 114112933 B CN114112933 B CN 114112933B
Authority
CN
China
Prior art keywords
layer
chiral
phase change
change material
material layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202111336611.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN114112933A (zh
Inventor
王勇凯
李知多
董军
朱礼鹏
郑益朋
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xian University of Posts and Telecommunications
Original Assignee
Xian University of Posts and Telecommunications
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xian University of Posts and Telecommunications filed Critical Xian University of Posts and Telecommunications
Priority to CN202111336611.XA priority Critical patent/CN114112933B/zh
Publication of CN114112933A publication Critical patent/CN114112933A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114112933B publication Critical patent/CN114112933B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

本申请涉及手性装置领域，具体提供了一种动态可调的超窄带手性复合纳米装置，其特征在于，本发明装置从下至上依次包括：反射层、相变材料层、介质层，反射层、相变材料层、介质层的内部有贯穿孔结构，该贯穿孔结构贯穿上述反射层、相变材料层、介质层，贯穿孔结构具有手性。本发明装置的CD峰的半峰宽为0.12nm，本发明装置手性传感的精确度较高；CD峰的峰值可达0.61，本发明装置的灵敏度也较高；本发明能够通过改变相变材料层周围的温度，实现本装置手性的动态调控；本发明装置为微纳尺寸，符合器件微型化的趋势。

Description

一种动态可调的超窄带手性复合纳米装置
技术领域
本申请涉及手性装置领域，具体而言，涉及一种动态可调的超窄带手性复合纳米装置。
背景技术
手性结构指的是不能通过简单的平移或旋转而与其镜像重叠的结构。手性是自然界的基本属性，大到宇宙星系，小到蛋白质、DNA等均存在着手性现象。手性结构有其特殊的光学手性特性，手性介质的介电常数的实部和虚部具有不同的左旋圆偏光值和右旋圆偏光值，从而导致偏振光的相位(双折射)或强度(吸收)发生变化，进而产生圆二色性(CD)和非对称传输(AT)效应。CD是指的是手性结构的左旋圆偏振光与右旋圆偏振光下的透射率差值。CD的产生是由于电偶极子和磁耦极子的相互耦合。利用CD特性能够设计负折射材料、宽带圆偏振器件等，广泛应用于分析化学、生物传感等领域。
现有技术中，研究人员设计并研究了各种金属纳米结构，以增强局域电磁场，达到增强CD的效果。已经被证明的是，单层手性纳米结构CD响应较弱，3D纳米结构CD响应较强。例如单层手性纳米结构的CD强度为0.4，峰值带宽为20nm[Wei Wei,Shanshan Chen,Chang-yin Ji,Shuqi Qiao,Honglian Guo,Shuai Feng,and Jiafang Li,"Ultra-sensitiveamplitude engineering and sign reversal of circular dichroism in quasi-3Dchiral nanostructures,"Opt.Express 29,33572-33581(2021)]；双层手性纳米结构的CD强度为0.44，峰值带宽为100nm[Jianxia Qi,Mingdi Zhang,Yunguang Zhang,QingyanHan,Wei Gao,Yongkai Wang,Runcai Miao,and Jun Dong,"Multiband circulardichroism from bilayer rotational F4 nanostructure arrays,"Appl.Opt.58,479-484(2019)]；三层手性纳米结构的CD强度为0.4，峰值带宽为20nm[Ying Li,Yu Bai,ZiyanZhang,Abuduwaili Abudukelimu,Yaqi Ren,Ikram Muhammad,Qi Li,and ZhongyueZhang,"Enhanced circular dichroism of plasmonic chiral system due to indirectcoupling of two unaligned nanorods with metal film,"Appl.Opt.60,6742-6747(2021)]。螺旋纳米结构的CD强度为0.78，峰值带宽为100nm[Shuang Liang,Zebin Zhu,andLiyong Jiang,"Twist-angle dependent circular dichroism and related mechanismsin closely stacked Archimedean planar metamaterials,"OSA Continuum 4,1326-1338(2021)]。以上手性纳米结构中，较难实现CD响应的动态调控，其调控是通过改变结构尺寸进行的，因此，调控成本较高，适用性较差。同时，以上手性纳米结构产生的CD带宽较宽，导致手性传感的精确度较差；在可见光波段CD信号的增强较弱，这使手性传感的灵敏度较低。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种动态可调的超窄带手性复合纳米装置，以解决现有技术中产生CD信号带宽较宽、可见光波段CD信号的增强较弱导致的手性装置灵敏度较差，以及难以动态调控CD信号，导致手性装置适用性较差的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本申请提供一种动态可调的超窄带手性复合纳米装置，装置从下至上依次包括：反射层、相变材料层、介质层。反射层、相变材料层、介质层的内部有贯穿孔结构，该贯穿孔结构贯穿反射层、相变材料层、介质层，且该贯穿孔结构具有手性。
进一步地，贯穿孔结构周期设置在上述反射层、相变材料层、介质层中。
更进一步地，上述周期为矩形周期排布，一个周期的长度和宽度均为350nm-400nm。
更进一步地，反射层由折射率不同的两种材料从下至上依次交替排布组成，形成布拉格反射结构。
更进一步地，布拉格反射结构中较高折射率材料的厚度为40nm-47nm，较低折射率材料的厚度100nm-125nm。
更进一步地，交替排布的结构中交替次数为4-6。
更进一步地，交替排布结构中设有与交替排布的两种材料的折射率不同的另一种材料，该材料为透明材料，具体地，可以为有机玻璃，形成非对称布拉格反射结构，所加材料的厚度为100nm-125nm。
更进一步地，相变材料层和介质层之间设有半导体层。
更进一步地，半导体层的材料为二硫化物，具体地，半导体层的材料为MoS2和/或WS2，其厚度约为0.6nm。
更进一步地，介质层的厚度为440nm-470nm。
更进一步地，相变材料层的材料为二氧化钒或碲锑锗。
可选地，贯穿手性孔的形状为T形。
可选地，贯穿手性孔的形状为L形。
可选地，贯穿手性孔的形状为L形和圆形的组合。
应用时，上述任意一动态可调的超窄带手性复合纳米装置均还包括光源、温度控制装置、光探测器。温度控制装置设置在本发明装置中相变材料层的外部，用于改变相变材料层的温度。待测手性分子溶液和手性分子气体填充在本发明装置的贯穿孔结构中。光探测器用于对本发明装置出射光的检测。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
(1)应用时，圆偏振光照射在介质层表面，介质层上的贯穿孔结构使得介质层具有手性，这样介质层与圆偏振光高效耦合，进而将圆偏振光耦合进整个装置。本发明装置得到的CD信号的半峰宽约为0.12nm，这窄于现有技术中所公布的半峰宽数值。因此，本发明装置的精确度较高；CD峰的峰值可达0.61，本发明装置的灵敏度也较高。
(2)本发明装置中，相变材料层的材料为高折射率的相变材料。在光场作用下，相变材料层表面激发出沿其表面传播的表面等离极化激元共振(SPR)。一方面，由于折射率较高，相变材料层能够局域更多的光场能量，产生更强烈的SPR。另一方面，通过改变相变材料层的温度使得相变材料层的电导率改变，进而引起相变材料层折射率的变化，从而对CD光谱产生影响。即，本发明通过改变环境温度，实现了对CD的动态调控。因此，本发明装置的CD信号容易调控，降低了CD调控的成本，同时，本发明装置的适用性较强。
(3)本发明装置可以在贯穿孔结构中加入不同种类的手性分子气体或手性分子溶液，这样能够增强手性分子与装置各层材料之间的耦合，从而提高本发明装置探测手性的灵敏度。另外，本发明装置为多层平面手性结构，每层结构的形状相同利于制备，且整个装置的尺寸为微纳米量级，利于制成光学集成芯片，符合器件微型化的趋势。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的一种动态可调的超窄带手性复合纳米装置的主视图；
图2为本发明实施例2提供的一种动态可调的超窄带手性复合纳米装置的俯视图；
图3为本发明实施例3提供的一种动态可调的超窄带手性复合纳米装置的主视图；
图4为本发明实施例4提供的一种动态可调的超窄带手性复合纳米装置的主视图；
图5为本发明实施例3和实施例4提供的动态可调的超窄带复合纳米装置的CD光谱对比结果；
图6为本发明实施例7提供的一种动态可调的超窄带手性复合纳米装置的主视图；
图7为本发明实施例4和实施例7提供的动态可调的超窄带手性复合纳米装置的CD光谱对比结果；
图8为本发明实施例8提供的一种动态可调的超窄带手性复合纳米装置的俯视图；
图9为本发明实施例8提供的动态可调的超窄带复合纳米装置的CD光谱；
图10为本发明实施例8提供的动态可调的超窄带复合纳米装置在不同温度下的CD光谱对比结果；
图11为本发明实施例9提供的动态可调的超窄带手性复合纳米装置的俯视图。
图标：10-反射层；11-高折射率材料层；12-低折射率材料层；13-对称性破坏层；20-相变材料层；30-介质层；40-半导体层；51-第一矩形孔；52-第二矩形孔；53-圆形孔。
具体实施方式
为了使本发明的实施过程更加清楚，下面将会结合附图进行详细说明。
实施例1：
本发明提供了一种动态可调的超窄带手性复合纳米装置，装置的主视图如图1所示，装置从下至上依次包括：反射层10、相变材料层20、介质层30。相变材料层20的材料为相变材料，具体地，相变材料层20的材料为二氧化钒或碲锑锗，可选地，相变材料层20的厚度为130nm-160nm。一方面，相变材料的折射率较高，使得光场能量局域在相变材料层20内，从而光与相变材料层20的相互作用更强，产生强烈的SPR，本发明装置的调控效率较高；另一方面，相变材料的电导率会随其温度的改变发生变化，通过调控温度能够改变其电导率，进而改变相变材料层20的折射率，实现CD信号的动态调控。介质层30的材料可以为玻璃，其折射率为1.44，可选地，介质层30的厚度为440nm-470nm。反射层10、相变材料层20、介质层30的内部有贯穿孔结构，该贯穿孔结构贯穿上述反射层10、相变材料层20、介质层30，且该贯穿孔结构具有手性，这样整个装置具有手性，能够产生CD信号。
应用时，上述装置还包括光源、温度控制装置、光探测器。温度控制装置设置在本发明装置中相变材料层20的外部，用于改变相变材料层20的温度。待测的手性分子溶液和手性分子气体填充在本发明装置的贯穿孔结构中。光探测器用于对本发明装置出射光的检测，经过数据处理得到CD光谱。圆偏振光照射在介质层30的上表面，由于手性贯穿孔结构的存在介质层30具有手性，这样介质层30与圆偏振光耦合，进入相变材料层20，透射进入反射层10后被反射，再次进入相变材料层20、介质层30，由介质层30的上表面出射，进入光探测器。整个装置具有手性，得到CD光谱。调控时，通过温度控制装置改变相变材料层20的温度，导致相变材料层20的电导率变化，进而相变材料层20的折射率变化，透过相变材料层20的光强发生变化，从而改变装置的CD光谱，即本申请可以通过改变环境温度，实现对CD信号的动态调控。
实施例2：
在实施例1的基础上，手性贯穿孔结构的贯穿方向可以和反射层10、相变材料层20、介质层30所在平面垂直，也可以和反射层10、相变材料层20、介质层30所在平面不垂直；垂直时，制备贯穿孔结构仅需一次即可完成，制备过程简单，不垂直时，倾斜的贯穿孔结构在每一层结构上的位置不完全相同，这样能够增强装置在反射层10、相变材料层20、介质层30所在平面垂直方向上的不对称性，使得装置的非对称性更强，进而增强CD信号。手性贯穿孔结构周期排布在反射层10、相变材料层20、介质层30上，排布方式可以为矩形周期或平行四边形周期，优选地，手性贯穿孔结构以矩形周期方式排列，矩形周期结构方便制备，且容易将可见光波段耦合进装置，更优选地，手性贯穿孔结构以长度为380nm，宽度为400nm的矩形周期排布，这能够增强周期长度方向和周期宽度方向上的非对称性，进而增强装置的CD响应。手性贯穿孔结构截面的形状可以为任一具有手性的形状，优选的，贯穿孔结构由第一矩形孔51和第二矩形孔52组成，更优选地，第一矩形孔51和第二矩形孔52垂直设置，更优选地，第一矩形孔51和第二矩形孔52之间最近处的距离为0-5nm，更优选地，第一矩形孔51和第二矩形孔52之间最近处的距离为0nm。如图2所示，贯穿孔结构为第一矩形孔51和第二矩形孔52组成的非对称的T形，这样在激光的激发下能够形成两个非对称交叉的极化电流，进而产生更强的CD响应；此外，该形状简单方便制备。更优选地，第二矩形孔52的几何中心位于第一矩形孔51的中心位置向下0-140nm处。第一矩形孔51的竖直长度为280nm-320nm，横向宽度为80nm-120nm；第二矩形孔52的竖直宽度为60nm-80nm，横向长度为80nm-120nm，这样，在激光的激发下，本发明装置的共振波长才可位于可见光范围内。
实施例3：
在实施例1或2的基础上，如图3所示，反射层10由高折射率材料层11和低折射率材料层12从下至上依次交替排布组成，形成布拉格反射结构。布拉格反射结构在光的激发下能够形成特有的Tamm共振，其共振光谱将会产生超窄带的吸收峰，同时Tamm共振与上述贯穿孔结构边缘处产生的表面等离激元共振耦合，产生的CD谱线具有更窄的半峰宽，提高本发明装置的精确度。高折射率材料层11的材料为硅，其折射率为3.47；低折射率材料层12的材料为玻璃，其折射率为1.44。高折射率材料层11和低折射率材料层12交替排布的次数为4-6，这样能够形成较强的布拉格反射共振特性，又可以使激光照射到反射层10最下面一层的材料层，提高本发明装置的工作效率。高折射率材料层11的厚度为40nm-47nm，优选地，高折射率材料层11的厚度为47nm；低折射率材料层12的厚度为100nm-125nm，优选地，低折射率材料层12的厚度为125nm。高折射率材料层11的厚度小于低折射率材料层12的厚度，有利于将激光的能量局域在高折射率材料层11中，由于其厚度更小，局域效果更明显，这能够增强窄带吸收特性，并且使得窄带吸收的带宽更窄。从而，在各层之间相互耦合作用下，本发明装置的CD带宽更窄。
实施例4：
在实施例3的基础上，如图4所示，交替排布的布拉格反射结构中增加折射率不同于高折射率材料层11和低折射率材料层12的对称性破坏层13，形成非对称布拉格反射结构。对称性破坏层13在高折射率材料层11和低折射率材料层12之间，对称性破坏层13设置在反射层10的中间位置，这样对称性破坏层13与每个高折射率材料层11和低折射率材料层12的耦合更强。对称性破坏层13打破了布拉格反射的周期性，且对称性破坏层13上也具有手性贯穿孔结构，这提高了装置的非对称性，进而增强了装置的CD信号。对称性破坏层13的材料为有机玻璃，其折射率为2.3，具有可塑性强、易加工、价格便宜的特点。对称性破坏层13的厚度为100nm-125nm，优选地，对称性破坏层13的厚度为100nm。
应用时，圆偏振光照射在介质层30的上表面，与介质层30耦合，使得圆偏振光进入本发明装置，相变材料层20中激发出沿其表面传播的SPR，入射激光的能量局域于相变材料20中，这提高了相变材料20动态调节CD的响应强度；反射层10中激发出非对称的Tamm共振具有超窄带吸收特性，使得CD响应的半峰宽较窄；贯穿孔结构的边缘处产生环绕状的非对称极化电流，上述三者之间相互耦合，新模式同时具有三个模式的特性，进而产生超窄带CD信号。
另外，温度的改变使得相变材料层20的电导率变化，进而相变材料层20的折射率变化，这使得相变材料层20中的SPR共振的强度发生明显变化。由于SPR(相变材料层20中产生)、非对称Tamm(包含有对称性破坏层13的反射层10中产生)和非对称的极化电流(贯穿孔结构周围产生)三者耦合决定窄带CD信号。因此，SPR共振变化会影响三者耦合特性，进一步影响整个装置的窄带CD信号，使其随温度的变化而变化。此外，温度调控过程与对称性破坏层13之间耦合，会进一步增强装个装置的非对称性，进而增强整个装置的CD信号的调节能力。即本发明的装置能够通过改变温度，实现对CD信号的灵敏调控。
为了进一步说明引入非对称破坏层13带来的技术效果，使用数值模拟仿真结果进行说明，其中介质层30的折射率为1.44，厚度为470nm，相变材料层20的材料为二氧化钒；建模时，第二矩形孔52距离第一矩形孔51中心水平向下的距离为60nm，第一矩形孔51和第二矩形孔52之间的距离0nm。具体如下：图5为本发明实施例3(上)和实施例4(下)提供的动态可调的超窄带复合纳米装置的CD光谱对比结果。电导率为10S/m，对应温度为20℃时，未引入对称性破坏层13装置的CD光谱显示，装置的CD峰位于760.4nm处，CD峰的峰值为0.014，半峰宽为0.1545nm；引入对称性破坏层13装置的CD光谱显示，装置的CD峰位于761.3nm处，CD峰的峰值增强为0.027，半峰宽约为0.1536nm。对称性破坏层13的引入使得CD峰位发生轻微的红移，CD的大小增强了1.9倍。这表明，对称性破坏层13的引入使得装置的CD响应增强，提升了本发明装置的调控灵敏度；且半峰宽为0.1536nm，本发明装置的精确度较高。
实施例5：
为了进一步增强动态可调的超窄带手性复合纳米装置的CD响应，本实施例与实施例4的不同是，对称性破坏层13为折射率大于高折射率材料层11和低折射率材料层12的材料。这样激光由折射率较高的对称性破坏层13射入折射率较低的高折射率材料层11或低折射率材料层12时，会发生类似于全反射的现象，增强了对称性破坏层13局域光的能力，根据导模共振原理，能量会局域在较高的折射率介质中，更多的激光能量聚集在对称性破坏层13层中，增强装置非对称响应，导致CD增强；同时，增强了相变材料层20产生的SPR强度和相变材料层20中SPR与反射层10中Tamm共振的共振耦合强度，提高整个装置与光的相互作用强度，进而增强整个装置的CD响应。
实施例6：
为了更进一步地增强动态可调的超窄带手性复合纳米装置的CD响应，在实施例4或实施例5的基础上，在对称性破坏层13中设置金属纳米颗粒。金属纳米颗粒的材料可以是金或银等贵金属材料，贵金属材料在光场作用下能够产生局域表面等离激元共振。金属纳米颗粒的粒径为10nm-30nm，粒径过大会阻碍激光向下层传输，粒径过小使得光与金属纳米颗粒的作用较弱，降低本发明装置的工作效率。优选地，金属纳米颗粒分布在在整个对称性破坏层13内，且靠近贯穿孔结构边缘处的金属纳米颗粒较多，分布密集，这样能够增强贯穿孔结构周围环绕的极化电流的非对称性，进而增强装置CD信号。
在对称性破坏层13中设置金属纳米颗粒后，圆偏振光照射在金属纳米颗粒上，其表面会产生强烈的局域表面等离激元共振，金属纳米颗粒周围产生强电场，光场能量局域在金属纳米颗粒表面，这增强了贯穿孔结构周围的计划电流的非对称性，使得本发明装置的CD信号增强。同时，贯穿孔结构与相变材料层20和反射层10相连通，增强后的非对称极化电流与相变材料层20产生的SPR和反射层10产生的非对称Tamm共振耦合，三者相互增强，并且增强整个装置的CD信号。因此，本实施例进一步提高了整个结构的吸收率和非对称性，增强了本发明装置的CD响应。
实施例7：
在实施例2或实施例3或实施例4或实施例5或实施例6的基础上，如图6所示，在介质层30和相变材料层20之间还有半导体层40。半导体层40的材料为半导体材料，优选地，半导体层40的材料为层状结构的二硫化物，更优选地，半导体层40的材料为过渡金属二硫化物，更优选地，半导体层40的材料为MoS2和/或WS2，更优选地，半导体层40的材料为单层的MoS2和/或WS2，其厚度约为0.6nm-1.0nm。相比于零带隙的石墨烯，二硫化物的带隙具有随其厚度变化而变化的特性，随着厚度的减少，二硫化物的带隙由间接带隙转变为直接带隙，单层二硫化物的带隙为直接带隙，这使其具有更高的光电效能，能够促进整个装置光学响应，进而增强本发明装置的CD响应。
介质层30下有半导体层40，半导体层40的带隙为直接带隙，价带电子跃迁到导带不需要声子的参与，只需要吸收光子能量，因此，半导体层40具有更高的光电效能。当圆偏振光照射本发明装置时，具有更高光电效能的半导体层40吸收光子能量，在其表面形成强烈的表面电场，该强电场与介质层30耦合，进一步提高介质层30耦合入射光的能力，进而将更多的圆偏振光耦合进装置。另一方面，在光场作用下，由于半导体层40上具有贯穿孔结构，半导体层40表面上形成的强电场的分布是具有手性的，这使得本发明装置中的层状结构与左旋偏振光和右旋偏振光之间的相互作用强度的差异更大，即本发明装置的半导体层40能够实现CD信号的增强；同时，半导体层40表面产生的手性分布的表面电场与反射层10的Tamm共振相互耦合，使得CD谱线的半峰宽减小，从而提升本发明装置的精确度。
图7为本发明实施例(下)与实施例4(上)的动态可调的超窄带手性复合纳米装置在圆偏振光激发下CD响应的对比结果。模拟时，半导体层40的材料为MoS2，其厚度为0.618nm。如图7所示，当相变材料层20的电导率为10S/m(对应温度为20℃)时，未加半导体层40的CD峰位于761.3nm处，CD峰的峰值为0.027，半峰宽为0.16544nm；加半导体层40的CD峰位于761.4nm处，CD峰的峰值为0.15，半峰宽为0.15nm。半导体层40的加入使得装置的CD峰发生微弱的红移，CD峰的峰值由0.027增加到0.15，增强了5.5倍。半峰宽为0.2334nm，说明本发明装置精确度较高，CD峰值较大，说明本发明装置的调控灵敏度较高，即微小的温度变化，能够引起较大的CD改变。
实施例8：
在实施例7的基础上，第二矩形孔52距离第一矩形孔51中心位置处的距离为140nm，如图8所示，贯穿孔结构截面上的形状为非对称的L形。相比于上述实施例中非对称T形的贯穿孔结构，一方面，L形的制备更简单；另一方面，L形贯穿孔结构产生的非对称半环形电流的非对称性更强，进而增强整体装置的非对称性，增强本发明装置的CD响应；再一方面，非对称半环形电流将产生与非对称半环形电流所在层垂直的磁场(即，磁场方向沿竖直方向)，进而促进各层之间的磁场耦合，加强相变材料层20中的SPR、反射层10中的非对称Tamm共振、半导体层40表面产生的表面电场相耦合，进而增强装置CD信号。
图9为本实施例提供的动态可调的超窄带复合纳米装置的CD谱图。当电导率为10S/m(温度为20℃)时，CD的峰位于758.1nm处，CD峰的峰值为0.37，半峰宽为0.1212nm。相比于实施7，本实施例的CD峰的峰值增大了2.5倍。这是由于，非对称L形贯穿孔结构的非对称性强于非对称T形，使得其周围分布的电流的非对称性变强，提高了整个模型的非对称性，同时增强装置各层纳米结构之间的相互耦合，从而增强了本发明装置的CD响应。
图10为本实施例提供的动态可调的超窄带复合纳米装置在不同温度下的CD光谱对比结果。当温度由20℃变化到25℃时，相变材料层20的电导率S从10S/m变化到200S/m，CD谱图上CD峰的峰值由0.37显著增加到0.61。这是由于，电导率增加时，相变材料层20的金属特性变强，导致相变材料层20与光的相互作用变强，进而增强相变材料层20中的SPR共振，通过与其他共振的耦合，进而增强整个装置CD响应。即，本申请可以通过改变环境温度，实现对CD信号的动态调控。
实施例9：
在实施例1-8的基础上，本实施例还包括贯穿的圆形孔53，如图11为本实施例提供的动态可调的超窄带手性复合纳米装置的俯视图。圆形孔53和第二矩形孔52分居于第一矩形孔51两侧，且圆形孔53位于第一矩形孔51远离第二矩形孔52一侧。圆形孔53的半径为30nm-80nm，这样圆形孔53的光学共振才在可见光波段；圆形孔53与第一矩形孔51之间的最短距离为5nm-30nm，这样圆形孔53才能与第一矩形孔51和第二矩形孔52之间产生高效耦合。激光照射在本发明装置上时，该圆形孔53边缘处产生环形极化电流，进一步与L形电流相互耦合，增强了贯穿孔结构的非对称性，使得介质层30能够将更多的光场能量耦合进装置，增强相变材料层20的SPR、半导体层40上的表面电场和反射层10中的Tamm共振及其相互耦合，进而增强整个装置的非对称性，从而增强装置的CD响应。此外，由于耦合特性，圆形孔53的引入使得相变材料层20的SPR和半导体层40上的表面电场增强。在相同的环境变化量下，相变材料层20的SPR和半导体层40上的表面电场越强，其共振峰移动或变化越大。因此，圆形孔53的引入能够进一步提高相变材料的温度响应，进而提高本发明装置的灵敏度。
本发明提供的动态可调的超窄带复合纳米装置，通过在纳米孔中设置待测手性分子溶液或者手性分子气体，在圆偏振光的激发下，手性分子的手性信号被强烈放大，通过光谱仪对左旋圆光和右旋圆光的检测，得到手性的增强情况。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种动态可调的超窄带手性复合纳米装置，其特征在于，所述装置从下至上依次包括：反射层、相变材料层、介质层，所述反射层、相变材料层、介质层的内部有贯穿孔结构，所述贯穿孔结构贯穿所述反射层、相变材料层、介质层，所述贯穿孔结构具有手性，所述贯穿孔结构周期设置在所述反射层、相变材料层、介质层中，所述反射层由折射率不同的两种材料从下至上依次交替排布组成，还包括对称性破坏层，所述对称性破坏层位于反射层的中间位置两种材料之间，所述对称性破坏层的折射率不同于所述反射层中两种材料的折射率，所述对称性破坏层上设有手性贯穿孔结构。
2.根据权利要求1所述的动态可调的超窄带手性复合纳米装置，其特征在于，所述交替排布的结构中交替次数为4-6。
3.根据权利要求1-2任一项所述的动态可调的超窄带手性复合纳米装置，其特征在于，所述相变材料层和所述介质层之间设有半导体层。
4.根据权利要求3所述的动态可调的超窄带手性复合纳米装置，其特征在于，所述半导体层的材料为二硫化物。
5.根据权利要求3所述的动态可调的超窄带手性复合纳米装置，其特征在于，所述贯穿手性孔的形状为T形。
6.根据权利要求3所述的动态可调的超窄带手性复合纳米装置，其特征在于，所述贯穿手性孔的形状为L形。
7.根据权利要求3所述的动态可调的超窄带手性复合纳米装置，其特征在于，所述贯穿手性孔的形状为L形和圆形的组合。
CN202111336611.XA 2021-11-12 2021-11-12 一种动态可调的超窄带手性复合纳米装置 Active CN114112933B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111336611.XA CN114112933B (zh) 2021-11-12 2021-11-12 一种动态可调的超窄带手性复合纳米装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111336611.XA CN114112933B (zh) 2021-11-12 2021-11-12 一种动态可调的超窄带手性复合纳米装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114112933A CN114112933A (zh) 2022-03-01
CN114112933B true CN114112933B (zh) 2023-10-10

Family

ID=80378760

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111336611.XA Active CN114112933B (zh) 2021-11-12 2021-11-12 一种动态可调的超窄带手性复合纳米装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114112933B (zh)

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107340559A (zh) * 2017-07-04 2017-11-10 北京理工大学 基于超颖表面的高效宽带圆偏振转换器件及方法
CN107957604A (zh) * 2017-12-01 2018-04-24 天津大学 基于超构孔结构的太赫兹手性调制器
CN108821228A (zh) * 2018-06-15 2018-11-16 电子科技大学中山学院 一种可实现非对称传输的纳米结构及其制备方法
CN109187429A (zh) * 2018-09-15 2019-01-11 哈尔滨工业大学 一种基于双层带状石墨烯周期阵列结构的快速可调谐中红外折射率传感器
CN110515194A (zh) * 2018-05-21 2019-11-29 康宁公司 用于激光接合的结构和包含这种结构的液体透镜
CN112213271A (zh) * 2020-10-13 2021-01-12 中山科立特光电科技有限公司 动态调控圆二色性的结构
CN112432907A (zh) * 2020-11-24 2021-03-02 北京邮电大学 可调太赫兹手性鉴别器件及可调圆极化选择器
CN113030026A (zh) * 2021-03-07 2021-06-25 天津理工大学 一种lspr多波长窄带可调谐传感器
CN113267901A (zh) * 2021-04-26 2021-08-17 四川大学 基于各向异性手性超材料的动态偏振调控器件
CN113504184A (zh) * 2021-07-08 2021-10-15 西安邮电大学 可调控的介质手性纳米增强装置及系统

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2556019B1 (en) * 2010-04-09 2019-01-23 FPInnovations Inorganic mesoporous materials with chiral nematic structures and preparation method thereof
WO2017033184A1 (en) * 2015-08-26 2017-03-02 Ibrahim Abdulhalim Resonant periodic structures and methods of using them as filters and sensors

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107340559A (zh) * 2017-07-04 2017-11-10 北京理工大学 基于超颖表面的高效宽带圆偏振转换器件及方法
CN107957604A (zh) * 2017-12-01 2018-04-24 天津大学 基于超构孔结构的太赫兹手性调制器
CN110515194A (zh) * 2018-05-21 2019-11-29 康宁公司 用于激光接合的结构和包含这种结构的液体透镜
CN108821228A (zh) * 2018-06-15 2018-11-16 电子科技大学中山学院 一种可实现非对称传输的纳米结构及其制备方法
CN109187429A (zh) * 2018-09-15 2019-01-11 哈尔滨工业大学 一种基于双层带状石墨烯周期阵列结构的快速可调谐中红外折射率传感器
CN112213271A (zh) * 2020-10-13 2021-01-12 中山科立特光电科技有限公司 动态调控圆二色性的结构
CN112432907A (zh) * 2020-11-24 2021-03-02 北京邮电大学 可调太赫兹手性鉴别器件及可调圆极化选择器
CN113030026A (zh) * 2021-03-07 2021-06-25 天津理工大学 一种lspr多波长窄带可调谐传感器
CN113267901A (zh) * 2021-04-26 2021-08-17 四川大学 基于各向异性手性超材料的动态偏振调控器件
CN113504184A (zh) * 2021-07-08 2021-10-15 西安邮电大学 可调控的介质手性纳米增强装置及系统

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Yongkai Wang等.Circular Dichroism Enhancement and Biosensing Application of Composite Dielectric Chiral Nanostructures.《The Journal of Physical Chemistry C》.2021,第125卷第25243−25252页. *

Also Published As

Publication number Publication date
CN114112933A (zh) 2022-03-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Xia et al. Plasmonically induced transparency in phase-coupled graphene nanoribbons
Wu et al. Spectrally selective chiral silicon metasurfaces based on infrared Fano resonances
Chao et al. Plasmonic refractive index sensor based on the combination of rectangular and circular resonators including baffles
Maoz et al. Chiroptical effects in planar achiral plasmonic oriented nanohole arrays
Qu et al. Giant circular dichroism induced by tunable resonance in twisted Z-shaped nanostructure
Smolyaninova et al. Self-assembled tunable photonic hyper-crystals
Hentschel et al. Optical rotation reversal in the optical response of chiral plasmonic nanosystems: the role of plasmon hybridization
Francescato et al. Graphene sandwiches as a platform for broadband molecular spectroscopy
Lu et al. Plasmonic Fano spectral response from graphene metasurfaces in the MIR region
Yi et al. Multiple surface plasmon resonances of square lattice nanohole arrays in Au-SiO2-Au multilayer films
Zhang et al. Asymmetric fishnet metamaterials with strong optical activity
Qing et al. Ultra-narrowband absorption enhancement in monolayer transition-metal dichalcogenides with simple guided-mode resonance filters
Cheng et al. Full-Stokes imaging polarimetry based on a metallic metasurface
Watanabe et al. Nanogap enhancement of the refractometric sensitivity at quasi-bound states in the continuum in all-dielectric metasurfaces
Khoshdel et al. Plasmonic nano bow‐tie arrays with enhanced LSPR refractive index sensing
Zhang et al. High-Q collective Mie resonances in monocrystalline silicon nanoantenna arrays for the visible light
Heidarzadeh Highly sensitive plasmonic sensor based on ring shape nanoparticles for the detection of ethanol and D-glucose concentration
Alwahib et al. Multi-response nanowire grating-coupled surface plasmon resonance by finite element method
Iqbal et al. Novel exposed and buried Au plasmonic grating as efficient sensors
Singh et al. Numerical study among Au, Al, and Ag metal-based surface plasmon resonance sensor
Zhao et al. Plasmonic chirality of one-dimensional arrays of twisted nanorod dimers: the cooperation of local structure and collective effect
Islam et al. Plasmon tuning in ultra-thin titanium nitride films
Yadollahzadeh et al. Perovskite-based Lossy-mode resonance sensor in visible light spectrum: Comparison and optimization of optical enhancements
Chi et al. Giant optical activity in plasmonic chiral structure via double-layer graphene moiré stacking in mid-infrared region
CN114112933B (zh) 一种动态可调的超窄带手性复合纳米装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant