CN114436205A - 一种基于对称金属条带结构的等离子体粒子传送带 - Google Patents

一种基于对称金属条带结构的等离子体粒子传送带 Download PDF

Info

Publication number
CN114436205A
CN114436205A CN202111586024.6A CN202111586024A CN114436205A CN 114436205 A CN114436205 A CN 114436205A CN 202111586024 A CN202111586024 A CN 202111586024A CN 114436205 A CN114436205 A CN 114436205A
Authority
CN
China
Prior art keywords
symmetrical
metal strip
conveyor belt
strips
plasma
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.)
Granted
Application number
CN202111586024.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114436205B (zh
Inventor
杨宏艳
梅梓洋
李振凯
刘洋
苑立波
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.)
Guilin University of Electronic Technology
Original Assignee
Guilin University of Electronic Technology
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 Guilin University of Electronic Technology filed Critical Guilin University of Electronic Technology
Priority to CN202111586024.6A priority Critical patent/CN114436205B/zh
Publication of CN114436205A publication Critical patent/CN114436205A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114436205B publication Critical patent/CN114436205B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81BMICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B7/00Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81BMICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • B81B3/0035Constitution or structural means for controlling the movement of the flexible or deformable elements
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81BMICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2207/00Microstructural systems or auxiliary parts thereof
    • B81B2207/99Microstructural systems or auxiliary parts thereof not provided for in B81B2207/01 - B81B2207/115

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)

Abstract

一种基于对称金属条带结构的等离子体粒子传送带,由介质基底和周期性排列的对称金属条带构成。一个周期结构的基本单元是由金对称条、银对称条、铝对称条排列形成。每个对称金属条带,由两个相同材料的金属条组成。整个结构放置折射率为1.33的水溶液中,入射光为振动方向沿着y轴的垂直向下的线偏振平面光。在不同波长入射光的照射下,对称金属条带会产生等离子体共振形成强烈的近场增强。水溶液中透明纳米粒子会被吸引到电场梯度最大的地方,实现捕获。不同材料的对称金属条带具有不同的共振频率。通过切换入射光的波长,就可以切换相邻的捕获位置,实现粒子的传送。该发明在微纳操纵,生物传感等领域具有重要的应用前景。

Description

一种基于对称金属条带结构的等离子体粒子传送带
(一)技术领域
本发明涉及微纳光学、等离子体光镊领域,具体是由一种基于对称金属条带结构的等离子体粒子传送带。
(二)背景技术
随着微纳加工工艺的进步和发展,表面等离激元波的现象和原理受到了科学家广泛的关注。一般认为,在入射光的激发下,金属表面会激发自由电子,当入射光和金属表面的自由电子的振荡频率一致时,在金属和介质的交界面出就会产表面等离激元波。表面等离激元波在纵向的传播的时候呈现几何式衰减,是一种倏逝波。表面等离激元波可以将电磁波局域到一个近场区域,实现极大的电场增强。表面等离激元波可以广泛的应用在诸多光学领域,包括微纳光电子器件,光学传感,太阳能电池等诸多领域。通过设计不同的可以产生表面等离激元共振的微纳结构,不断地挖掘表面等离激元在新领域的应用,已经成为了等离激元学的主要发展趋势。当金属介质交界面的表面等离激元波被激发后,产生的表面等离激元可以分为两类:传播型的等离激元和局域表面等离激元两种。局域表面等离激元的激发比较容易。局域表面等离激元在异常透射、拉曼传感、微纳粒子捕获等领域具有巨大的应用前景。
近十年来依托局域等离激元的等离子体光镊得到了蓬勃的发展。其研究的重点在于设计不同的局域等离激元结构在特定的波长下产生等离子体共振。当纳米粒子靠近等离激元共振的中心时,会受到指向电场梯度最大位置的梯度力,和沿着电场传播方向的散射力。对于透明的纳米粒子,梯度力要远大于散射力,处在共振阶段的局域等离激元结构可以牢牢将粒子吸附在共振结构的表面。基于微纳结构的等离子体光镊相对于传统的激光光束光镊具有先天的优势。传统的激光光束光镊需要通过物镜的聚焦,这样就受到了衍射极限的限制,很难捕获1um直径以下下的粒子。基于微纳结构的等离子体光镊可以克服衍射极限的限制,利用等离子体共振在共振结构周围实现极大的近场增强从而捕获微小的纳米粒子。进一步的,科学家们利用光的入射信息(波长、相位、偏振态)来控制局域等离激元共振激发的位置,就可以切换切换相邻的捕获位置,实现纳米粒子的传送。
近年来,越来越多的等离子体传送带被提出并加以研究,例如,通过设计对入射光偏振态敏感的结构,实现是用入射光偏振态对俘获位置的调控。结合电调控材料如石墨烯等对等离激元共振位置的切换,实现俘获粒子的传送的功能。
本发明专利提出了一种基于对称金属条带结构的等离子体粒子传送带。本发明专利相对于其他的等离子体传送带相比,结构设计更加简单,操控方式灵活有着更大的俘获深度。只需要控制入射光的波长就可以实现粒子的捕获和传送。因此本发明提供的一种对称金属条等离子体粒子传送带将在未来基于片上光子器件,片上实验室,增强拉曼传感等诸多领域具有十分重要的应用价值。
(三)发明内容
针对上述问题,本发明的目的在于提供一种基于对称金属条带结构的等离子体粒子传送带及其实现方法。
本发明的目的是这样实现的:
一种基于对称金属条带结构的等离子体粒子传送带自下而上一次包括介质衬底4,和对称金属条带。对称金属条带1的材料为Au、对称金属条带2的材料为Ag,对称金属条带3的材料为Al。每个对称金属条带由两个独立的金属条组成。一种基于对称金属条带结构的等离子体粒子传送带的工作环境为折射率为1.33的水溶液。入射光的功率为20mW/um^2。
本发明的相对与之前的工作具有以下的优点:
(1)结构相对简单,加工相对容易,不需要制作复杂的掩膜板;(2)本发明通过设计排列不同材料对称金属条带,利用不同金属的具有不同的共振波长的特性,通过改变入射光的波长,切换等离子体共振的位置,实现粒子的传送功能;(3)本发明可以在相对较低的入射光功率下实现接近-10kbt的俘获深度。
(四)附图说明
图1是一种基于对称金属条带结构的等离子体粒子传送带及其实现方法的原理示意图。
图2是一种对称金属条等离子体粒子传送带的二维结构XY面示意图。
图3入射光波长为980nm的y轴线偏振光时,粒子的中心位置在金属条带上表面上方60nm处、x轴方向-200nm~0nm移动时粒子所受到的方向的光学力。
图4入射光波长为840nm的y轴线偏振光时,粒子的中心位置在金属条带上表面上方60nm处、x轴方向-100nm~100nm移动时粒子所受到的x方向的光学力。
图5入射光波长为650nm的y轴线偏振光时,粒子的中心位置在金属条带上表面上方60nm处、x轴方向0nm~200nm移动时粒子所受到的x方向的光学力。
图6根据图3、4、5中所示的粒子光学力,计算出来的粒子分别在-200nm~0nm、-100nm~100nm、0nm~200nm时的俘获深度。
图中标号为:(1)、Au对称金属条带,(2)、Ag对称金属条带,(3)、Al金对称金属条带,(4)、Sio2介质衬底。
(五)具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白,以下结合具体实例,并参照附图,对本发明进一步详细说明。
本发明是一种基于对称金属条带结构的等离子体粒子传送带,如图1所示,其结构为对称的Au金属条带1,对称的Ag金属条带2,对称的Al金属条带3,Sio2衬底4。入射光为平面波,入射光波矢k与Z轴平行沿着负方向垂直正入射到本器件上,且入射光的偏振方向(电场方向)垂直于波矢k在XZ平面内平行于Y轴,磁场方向平行于X轴。
如图2所示,为一种基于对称金属条带结构的等离子体粒子传送带的二维结构XZ面示意图。如图2所示,工作在最佳时,每个对称金属条带由光宇x轴对称的上下两部分组成。其中每个独立的金属条带的宽度为w=40nm,高度h=80nm,长度a=100nm。两个独立的金属条带上下的间距为t=30nm。相邻的对称金属条带的间距g=40nm。
粒子受到的光学力可以用以下的公式计算。
Figure BDA0003423511640000041
其中T为麦克斯韦应力张量,n为积分面的法向矢量方向。粒子受到光学力产生的俘获深度可以用以下的公式计算:
Figure BDA0003423511640000042
其中kB为玻尔兹曼常数,T为工作环境的温度,F为粒子受到的光学力,r0为粒子移动的距离。
如图3所示,入射光波长为980nm时,纳米粒子(折射率为1.6,半径为50nm)的中心位置在金属条带上表面上方60nm处,在x轴-200nm~0nm移动时所受到的光学力。在Au对称条带中心位置(-80nm)的左边受到的是正力(fx>0),在Au对称条带中心位置(-80nm)的右边受到的是负力(fx<0)。纳米在z轴方向受到的力均为负力fz<0。这证明了Au对称金属条带可以将粒子捕获在正中央。
如图4所示,入射光波长为840nm时,纳米粒子(折射率为1.6,半径为50nm)的中心位置在金属条带上表面上方60nm处,在x轴-100nm~100nm移动时所受到的光学力。在Ag对称条带中心位置(0nm)的左边受到的是正力(fx>0),在Ag对称条带中心位置(0nm)的右边受到的是负力(fx<0)。纳米在z轴方向受到的力均为负力fz<0。这证明了Ag对称金属条带可以将粒子捕获在正中央。
如图5所示,入射光波长为650nm时,纳米粒子(折射率为1.6,半径为50nm)的中心位置在金属条带上表面上方60nm处,在x轴0nm~200nm移动时所受到的光学力。在Al对称条带中心位置(80nm)的左边受到的是正力(fx>0),在Al对称条带中心位置(80nm)的右边受到的是负力(fx<0)。纳米在z轴方向受到的力均为负力fz<0。这证明了Al对称金属条带可以将粒子捕获在正中央。
如图6所示,纳米粒子(折射率为1.6,半径为50nm)的中心位置在金属条带上表面上方60nm处,粒子分别在-200nm~0nm、-100nm~100nm、0~200nm,波长分别为980nm、840nm、650nm时,由对应的光学力所产生的俘获深度。从图中可以看出,三个俘获深度都接近-10kbt,这保证了稳定的捕获。三个俘获深度的谱线都包含了旁边的俘获谷,这表明了,只要切换俘获位置,就可以实现粒子的传送。
本发明的一种基于对称金属条带结构的等离子体粒子传送带,利用不同材料的金属具有不同的共振频率的特点,动态的操纵局域离激元共振产生的位置,实现了纳米粒子传送的功能。本发明的纳米粒子传送带具有结构简单,厚度极小的特点。且能在加工完成之后利用调控入射光波长实现粒子捕获和传送的功能,微纳加工、增强拉曼传感等方面发挥很大的作用。
需要说明的是,尽管以上本发明所述的实施例是说明性的,但这并非是对本发明的限制,因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下,凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式,均视为在本发明的保护之内。

Claims (6)

1.一种基于对称金属条带结构的等离子体粒子传送带,其特征是:一种对称金属条带等离子体传送带的一个单元结构包括对称的Au金属条带1,对称的Ag金属条带2,对称的Al金属条带3,Sio2衬底4。不同材料的金属条带在不同波长的入射光的照射下具有不同的共振波长。通过控制入射光波长,就能控制产生等离子体共振的位置,进而实现对粒子俘获。整个结构工作在一个折射率为1.33均匀的水溶液介质环境中。
2.根据权利要求1所述的一种对称金属条等离子体传送带,其特征在于:每一个对称金属条带由关于两个关于x轴对称的独立金属条带组成。且长度、高度、宽度均相同。对称的两个条带相邻的距离t固定为30nm。
3.根据权利要求1所述的一种对称金属条等离子体传送带,其特征在于:每个对称金条带的高度h都固定为30nm,但不限于30nm。
4.根据权利要求1所述的一种对称金属条等离子体传送带,其特征在于:每个独立的金属条带的长度a固定为100nm,但不限于100nm。
5.根据权利要求1所述的一种对称金属条等离子体传送带,其特征在于:每个独立的金属条带的宽度w固定为40nm,但不限于40nm。
6.根据权利要求1所述的一种对称金属条等离子体传送带,其特征在于:一个周期的对称金属条带按照材料Au、Ag、Al的顺序排列。
CN202111586024.6A 2021-12-21 2021-12-21 一种基于对称金属条带结构的等离子体粒子传送带 Active CN114436205B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111586024.6A CN114436205B (zh) 2021-12-21 2021-12-21 一种基于对称金属条带结构的等离子体粒子传送带

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111586024.6A CN114436205B (zh) 2021-12-21 2021-12-21 一种基于对称金属条带结构的等离子体粒子传送带

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114436205A true CN114436205A (zh) 2022-05-06
CN114436205B CN114436205B (zh) 2024-08-16

Family

ID=81364257

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111586024.6A Active CN114436205B (zh) 2021-12-21 2021-12-21 一种基于对称金属条带结构的等离子体粒子传送带

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114436205B (zh)

Citations (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20050087111A (ko) * 2004-02-25 2005-08-31 엘지전자 주식회사 탄소 나노튜브 전계방출소자 제조 장치 및 방법
US20070071928A1 (en) * 2003-11-18 2007-03-29 Edgar Von Gellhorn Plasma-coated conveyor belt
US20100061143A1 (en) * 2006-09-22 2010-03-11 Carley L Richard Assembling and Applying Nano-Electro-Mechanical Systems
US20100067015A1 (en) * 2006-03-15 2010-03-18 Omron Corporation Chip for surface plasmon resonance sensor and surface plasmon resonance sensor
US20120224255A1 (en) * 2011-03-03 2012-09-06 Mihail Bora Plasmon resonant cavities in vertical nanowire arrays
US20120281957A1 (en) * 2011-05-08 2012-11-08 Georgia Tech Research Corporation Plasmonic and photonic resonator structures and methods for large electromagnetic field enhancements
US20140242573A1 (en) * 2013-02-27 2014-08-28 Seiko Epson Corporation Optical element, analysis device, analysis method and electronic apparatus
CN104470846A (zh) * 2013-05-23 2015-03-25 三星Total株式会社 使用各向异性金属纳米粒子而具有增强的发光效率的光变换发光装置
CN109425266A (zh) * 2017-08-30 2019-03-05 南京理工大学 基于Al/MxOy含能薄膜的叉指结构换能元
US20190195805A1 (en) * 2016-09-09 2019-06-27 Board Of Regents, The University Of Texas System Methods and systems for optical control of metal particles with thermophoresis
CN110146946A (zh) * 2019-06-06 2019-08-20 桂林电子科技大学 一种非对称性弯曲结构的太赫兹集成器件
CN110186875A (zh) * 2019-05-21 2019-08-30 天津大学 局部表面等离子共振光纤型pH值测量方法及传感器
CN110221365A (zh) * 2019-05-13 2019-09-10 浙江大学 一种太赫兹频段的反射式偏振转换器件
CN111552014A (zh) * 2020-05-17 2020-08-18 桂林电子科技大学 一种横向mim格点阵等离激元吸收器
CN111653379A (zh) * 2020-06-05 2020-09-11 桂林电子科技大学 基于多光纤光镊的纳米粒子输送器
CN112071462A (zh) * 2020-06-05 2020-12-11 桂林电子科技大学 一种可调单光纤微粒输送器
CN113038978A (zh) * 2018-10-29 2021-06-25 国家科学研究中心 微流控气体交换设备及其制造方法

Patent Citations (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070071928A1 (en) * 2003-11-18 2007-03-29 Edgar Von Gellhorn Plasma-coated conveyor belt
KR20050087111A (ko) * 2004-02-25 2005-08-31 엘지전자 주식회사 탄소 나노튜브 전계방출소자 제조 장치 및 방법
US20100067015A1 (en) * 2006-03-15 2010-03-18 Omron Corporation Chip for surface plasmon resonance sensor and surface plasmon resonance sensor
US20100061143A1 (en) * 2006-09-22 2010-03-11 Carley L Richard Assembling and Applying Nano-Electro-Mechanical Systems
US20120224255A1 (en) * 2011-03-03 2012-09-06 Mihail Bora Plasmon resonant cavities in vertical nanowire arrays
US20120281957A1 (en) * 2011-05-08 2012-11-08 Georgia Tech Research Corporation Plasmonic and photonic resonator structures and methods for large electromagnetic field enhancements
US20140242573A1 (en) * 2013-02-27 2014-08-28 Seiko Epson Corporation Optical element, analysis device, analysis method and electronic apparatus
CN104470846A (zh) * 2013-05-23 2015-03-25 三星Total株式会社 使用各向异性金属纳米粒子而具有增强的发光效率的光变换发光装置
US20190195805A1 (en) * 2016-09-09 2019-06-27 Board Of Regents, The University Of Texas System Methods and systems for optical control of metal particles with thermophoresis
CN109425266A (zh) * 2017-08-30 2019-03-05 南京理工大学 基于Al/MxOy含能薄膜的叉指结构换能元
CN113038978A (zh) * 2018-10-29 2021-06-25 国家科学研究中心 微流控气体交换设备及其制造方法
CN110221365A (zh) * 2019-05-13 2019-09-10 浙江大学 一种太赫兹频段的反射式偏振转换器件
CN110186875A (zh) * 2019-05-21 2019-08-30 天津大学 局部表面等离子共振光纤型pH值测量方法及传感器
CN110146946A (zh) * 2019-06-06 2019-08-20 桂林电子科技大学 一种非对称性弯曲结构的太赫兹集成器件
CN111552014A (zh) * 2020-05-17 2020-08-18 桂林电子科技大学 一种横向mim格点阵等离激元吸收器
CN111653379A (zh) * 2020-06-05 2020-09-11 桂林电子科技大学 基于多光纤光镊的纳米粒子输送器
CN112071462A (zh) * 2020-06-05 2020-12-11 桂林电子科技大学 一种可调单光纤微粒输送器

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
展学成;邹欣;马好文;王斌;胡晓丽;孙利民;郑云弟;: "石墨烯基催化剂及其催化加氢应用研究进展", 石化技术与应用, no. 02, 10 March 2017 (2017-03-10) *
李志远, 李家方: "金属纳米结构表面等离子体共振的调控和利用1-6", 科学通报, vol. 56, no. 32, 18 August 2011 (2011-08-18), pages 2631 - 2661 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN114436205B (zh) 2024-08-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Lepeshov et al. Hybrid nanophotonics
Ferrari et al. Hyperbolic metamaterials and their applications
Xiong et al. Silver nanowires for photonics applications
US20190243208A1 (en) Tunable graphene metamaterials for beam steering and tunable flat lenses
Gulkin et al. Mie-driven directional nanocoupler for Bloch surface wave photonic platform
Salary et al. Tailoring optical forces for nanoparticle manipulation on layered substrates
Lebedev et al. Nanoscale electrically driven light source based on hybrid semiconductor/metal nanoantenna
Iqbal et al. Improved efficiency of MoS2-Au multilayer plasmonic-based solar cells: far-and near-field analysis
Herath et al. Polarization effect on dressed plasmonic waveguides
CN114436205B (zh) 一种基于对称金属条带结构的等离子体粒子传送带
Xu et al. Nano-Conveyor Belt on 2D Microsphere Arrays Levitated by Optical Quasi-Standing Wave
Chen et al. Enhanced optical forces by hybrid long-range plasmonic waveguides
Greten et al. Strong coupling of two-dimensional excitons and plasmonic photonic crystals: microscopic theory reveals triplet spectra
CN112596153B (zh) 一种片上亚波长束缚波导及其制备方法
Sabaeian et al. Design of high performance and low resistive loss graphene solar cells
Sharif-Kazemi et al. Investigation and simulation of the effect of silver, aluminum, gold, and platinum nano-ribbons on the efficiency of amorphous silicon solar cell
Akhlaghi et al. Location effect on gold nano bi-domes based absorption coefficient
Ghorbanzadeh Implementation of a System for Removing Noisy Hyperlinks: A Semantic and Relatedness-Based Approach
Yan-li et al. High sensitivity ultraviolet graphene-metamaterial integrated electro-optic modulator enhanced by superlubricity
Atwater et al. Subwavelength-scale plasmon waveguides
Jiang et al. Particles transport and sorting based on light field regulation in tunable graphene metasurface
Wu et al. A modeling investigation on high-speed broad spectrum filtering system based on electric fluid technology
Kislov et al. Optomechanical manipulation of nanoparticles with a magnetic response in a Gaussian beam
Rose Emergent Properties of Plasmonic Systems in the Weak to Strong Coupling Regimes
Leach Sasan V. Grayli, Xin Zhang, Siamack V. Grayli, and Gary

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