JPhysD编辑优选:金纳米半球阵列支持异常高Q值的表面晶格共振

11 8月 2020 gabriels

本篇研究来自中国科学院深圳先进技术研究院李光元副研究员带领的研究团队,探讨了金纳米半球阵列中的表面晶格共振,发现金纳米半球阵列在可见光波段的表面晶格共振具有异常高的Q值,高达794,比常用的金纳米柱阵列高1个数量级,比单个金纳米结构支持的局域等离激元共振高2个数量级。


文章介绍

Exceptionally narrow plasmonic surface lattice resonances in gold nanohemisphere array

Xiuhua Yang, Lei Xiong, Yuanfu Lu and Guangyuan Li

通讯作者:

  • 李光元,中国科学院深圳先进技术研究院
  • 鲁远甫,中国科学院深圳先进技术研究院

 

我们对二维金纳米半球阵列形成的SLR进行了系统的研究,深入讨论了空间入射光的偏振和角度、纳米半球的直径、阵列结构的周期等参数对SLR性能的影响,并与常用的金纳米圆柱形阵列结构进行了对比研究。研究结果表明:

  1. TM偏振的空间光在10°入射时,金纳米半球阵列在可见光波段715 nm处激励出的面外SLR具有高达794的Q值,为相同条件下金纳米圆柱阵列Q值的10倍;
  2. 根据文献,高Q值的面外SLR要求金纳米圆柱的高度不得低于100 nm,而我们发现金纳米半球可以使这一高度要求降至60 nm,从而方便了纳米加工;
  3. 为了使面外SLR的Q值最大,需要调控入射光角度或几何参数,以使RA波长略微偏移单个金纳米颗粒的米氏散射截面峰位、并处于其右侧位置。

这一超高Q值有望增强光与有源材料或传感材料之间的相互作用,极大提高光学效率或传感灵敏度。此外,关于高Q值SLR的获得方法有望在其他结构中得到应用。

图1 (a)金纳米圆柱阵列和(b)金纳米半球阵列在TM偏振空间光10°斜入射下的零阶反射谱和透射谱。

图2 (a)-(c)金纳米圆柱阵列和(d)-(f)金纳米半球阵列在SLR共振时的近场电场分布。由图可见,金纳米半球阵列的面外电场分量权重更大,因此具有更低的辐射损耗。

图3 (a)-(c)金纳米圆柱阵列和(d)-(f)金纳米半球阵列在图1中的两个宽反射峰(左、右两列)和1个窄反射谷(中间列)的能流分布。由图(b)(e)可见,与水流类似,沿着表面传播的光能流被金纳米半球的扰动更小,损耗更低,因此具有更高的Q值。

图4 反射谱(上)、单个纳米半球散射截面谱与RA波长(中)和Q值与半高全宽FWHM(下)随着入射角度(左)、阵列周期(中)和半球直径(右)的变化关系。由图可见,当RA波长稍微偏离单个纳米半球散射截面谱、且位于其峰位右侧时,金纳米半球阵列所激励的SLR的线宽最窄、Q值最高。

 

研究背景:

表面晶格共振(SLR)是由金属纳米结构基元所支持的局域等离激元共振(LSPR)和空间点阵所支持的瑞利异常(RA)衍射发生Fano耦合形成的一种新型光场。它具有在大范围内被极大增强的近场光场、寿命长、线宽窄、Q值高(可见光波段共振时一般为100,通讯波段共振时一般为300)、可调波长范围宽等独特优点,因而在纳米激光、非线性光学、高灵敏度光传感、窄带探测和新型超构材料等领域有着重要的应用价值。在许多应用中,高Q值一直是研究人员的追求目标。

文献中的SLR主要基于金属纳米圆柱阵列结构,对其他形状的纳米结构讨论较少。这是因为,研究发现不同形状纳米结构的LSPR具有类似的线宽,因而降低了人们探讨纳米结构形状对SLR影响的积极性。


作者介绍

李光元,中国科学院深圳先进技术研究院副研究员、博士生导师,深圳市海外高层次人才,2020年入选美国光学学会高级会员(OSA Senior Member)。长期从事等离激元新型结构和功能器件研究,在权威刊物发表SCI收录论文45篇。获2012年北京大学优秀博士后称号。主持完成国家自然科学基金青年项目,中国博士后基金面上项目和特别资助项目。