双层金属环形阵列的太赫兹表面等离子体研究

研究了太赫兹波垂直通过具有周期性亚波长环形空气槽阵列的金属-介质-金属三层结构的透射谱特性,以及与表面等离子体谐振的关系。共振模式电场分布与色散曲线分别表明:表面等离子体具有束缚性,表面电磁波的传输机制与能量流动过程,透射谱的两个共振峰与传播性的表面等离子体模式、局域化的表面等离子体模式及其耦合有关。改变结构的几何参数,其共振峰变化趋势进一步印证了以上观点,并且空气环中激发的准波导效应也影响了太赫兹波的传输。     

金纳米交叉结构的光学性质及传感特性研究

利用时域有限差分法分别模拟计算了X型金纳米结构和L型纳米天线以及由这两种结构所组成的金纳米交叉结构的消光光谱和近场分布,并研究了金纳米交叉结构对周围介质折射率变化的敏感性.研究结果表明,X型金纳米结构在入射光正入射时能激发起偶极共振模式而在斜入射时可以同时激发起偶极和四极共振模式.L型纳米天线的成键和反成键共振模式的产生可以通过改变入射光偏振方向进行控制.此外入射光偏振方向变化时在金纳米交叉结构中都可产生法诺共振效应,由于激发起法诺共振效应,金纳米交叉结构的光谱线型更加精细,传感质量因子可达到12.5,这些结果可指导金纳米交叉结构作为纳米光子器件用于生物传感方面.     

亚波长金属椭球周期阵列—金属薄膜复合结构的光透明特性研究

设计了一种新型的亚波长透明金属结构,该结构由一层六角晶格排列的椭球形金纳米颗粒沉积在金膜上构成。使用时域有限差分法计算了该结构的透射特性,发现该金属结构具有强的光学透明现象。随着椭球纵横比或金膜厚度的增加,共振透射峰出现明显的蓝移,且透射率发生显著变化。此外还发现,金纳米椭球颗粒阵列位于金膜上表面时的透射率比位于下表面时的透射率要大。     

光纤SPR传感器测量液体折射率的研究

通过一套基于表面等离子体波共振(SPR)效应的新型光纤传感系统，对三种具有相同折射率而类型不同的液体介质进行测试。通过研究SPR传感探头在四种不同液体介质中的光谱输出特性，获得SPR光谱共振波长、最小光强反射率随液体折射率、类型不同而改变的特性。这些工作为下一步使用光纤SPR传感探头进行复合材料的固化监测以及加工成型后的应变检测提供了依据。     

带有矩形孔阵列的Au-介质-Au多层膜的透射特性

周期性亚波长孔阵列的异常透射性质在亚波长光电器件设计中具有重要意义。两层或更多膜层上周期孔阵列结构,由于层之间电磁场的相互作用可以导致新的光学性质。利用时域有限差分方法理论研究了带有矩形孔阵列的Au-介质-Au多层膜的透射特性。结果表明:该结构在近红外波段的透射谱存在多个透射峰,并且透射峰的数量、位置和强度可以通过改变结构的几何参数和介质膜的材料进行调控。详细分析了介质膜的厚度和折射率、孔阵列的周期、矩形孔的边长等因素对多层膜矩形孔阵列透射谱的影响,为利用多个表面等离子共振设计多波长控制器件提供了一定的参考。     

长径比对金纳米棒折射率传感灵敏度的影响

利用化学种子生长法制备了多种长径比的金纳米棒,通过监测不同折射率下金纳米棒的局域表面等离子体共振(LSPR)波长移动来研究其折射率传感的灵敏度。实验结果表明,随着纳米棒长径比增加,其折射率传感的灵敏度近似线性地提高。在监测波长范围内,灵敏度从长径比为2.5：1时的216nm/RIU增长至4.2：1时的352nm/RIU。对于长径比为4.2:1的金纳米棒,用离散偶极子近似(DDA)的方法模拟了其折射率传感的灵敏度,与实验结果基本一致。     

纳米柱阵列传感器的结构优化设计

采用时域有限差分法(FDTD)对Ag纳米柱粒子构成的三角、方形和六角三种有限阵列排布方式下的局部表面等离子体共振(LSPR)传感特性进行了研究,讨论了三种阵列排布方式下栅格间距的变化对其消光特性、折射率灵敏度(RIS)和品质因素(FOM)的影响。栅格间距的变化使粒子间的电磁耦合发生了变化,进而改变了消光谱线,相应的折射率灵敏度和谱线的半高全宽也都发生变化。仿真结果表明,三角、方形和六角阵列的栅格间距分别为550,475和550nm时,品质因数分别取得极大值10.35,8.92和7.38RIU-1,较单个银粒子的2.76RIU-1分别提高了3.75,3.2和2.67倍。最优时,阵列结构的RIS均比单个的要高,分别为单个的1.2,1.16和1.18倍,且半高全宽(FWHM)均比单个的要窄,分别为单个的0.32,0.36和0.44倍。因此,阵列结构能够获得比单个结构更佳的传感灵敏度,且三角阵列结构比方形阵列和六角阵列的传感灵敏度要高。因此,三角阵列结构更能提高传感灵敏度,这对于纳米粒子的传感特性研究具有一定的指导意义。     

基于非对称纳米棒二聚体阵列的多重表面晶格共振

贵金属纳米颗粒阵列结构中的多重表面晶格共振能够在多个波段同时抑制体系辐射损耗,增大共振品质因子和局域场强,这对多波长相关微纳光子器件的设计具有重要意义,如何实现对多重表面晶格共振的有效操控是实现这些应用的关键。提出采用非对称纳米棒二聚体阵列结构产生和调控多重表面晶格共振。由于纳米棒结构的各向异性,其构成的二聚体结构具有丰富的局域共振响应,并且依赖于二聚体的排列方式,可以进一步调整局域共振,故由非对称纳米棒二聚体阵列可以产生并实现对多重表面晶格共振的有效操控。研究结果表明,由端对端和边对边排列的非对称纳米棒二聚体阵列结构能够激发起不同的表面晶格共振,其共振峰位、品质因子等可以通过改变两个正交方向上的周期实现有效调控,这对基于多重表面晶格共振的微纳光子器件的设计具有重要的应用价值。     

双缺口纳米环/纳米环腔中法诺共振效应的研究北大核心

应用时域有限差分法计算了由双缺口纳米环/纳米环腔构成的金纳米环复合体结构的消光光谱及其近场增强和电荷分布。计算结果表明,金纳米环复合体结构的光谱中出现了双重的法诺共振效应,通过改变外环缺口大小、外环的弧长以及内环大小,可以对复合体结构中法诺共振的调制深度和光谱位置进行大范围调谐。这些结果可指导金纳米环复合体结构用于纳米光子器件的设计,以满足其在表面增强喇曼散射和生物传感等方面的应用。     

波导型表面等离子体共振传感器传感特性计算

介绍了集成波导型表面等离子体共振传感器工作原理和基本结构,用传统波导模式的分析法结合表面等离子体波的色散方程,计算集成波导型表面等离子体共振传感器理论模型的共振波长。通过基于菲涅耳方程的解析分析,得到了含有表面等离子体共振吸收峰的透射谱。通过比较不同折射率被测物的透射谱,粗略确定了集成波导型表面等离子体传感器的检测范围。     

基于倾斜光纤光栅及其表面等离子效应的折射率传感比较研究(英文)

介绍了倾斜光纤光栅作为折射率传感器的测量原理,给出它的倾斜角8°与中心波长1550nm的反射谱与透射谱,分析了具有表面等离子的倾斜光纤光栅传感机理。为验证折射率传感的可能性与优点,进行了蔗糖浓度溶液的裸倾斜光纤光栅与镀金的倾斜光纤光栅的折射率测量分析,证明镀金后的表面等离子效应倾斜光纤光栅折射率传感器其灵敏度大大增加。     

Ag纳米粒子点阵的表面等离激元共振特性调控

通过纳米粒子束流气相沉积方法在衬底表面沉积稠密银纳米粒子点阵。通过对纳米粒子覆盖率的精细控制与纳米粒子点阵消光谱的实时监测,实现了其表面等离激元共振峰频率的系统调控。随着Ag纳米粒子密度的增加,点阵的表面等离激元共振波长发生红移,可逐步由小于400nm增大到570nm以上。研究发现,表面等离激元共振波长的变化与随纳米粒子沉积量增加而增加的紧密相邻的纳米粒子对的百分数相关。     

Supported Faceted Gold Nanoparticles with Tunable Surface Plasmon Resonance for NIR‐SERS

A novel dry plasma methodology for fabricating directly stabilized substrate‐supported gold nanoparticle (NP) ensembles for near infrared surface enhanced Raman scattering (NIR SERS) is presented. This maskless stepwise growth exploits Au‐sulfide seeds by plasma sulfidization of gold nuclei to produce highly faceted Au NPs with a multiple plasmon resonance that can be tuned from the visible to the near infrared, down to 1400 nm. The role of Au sulfidization in modifying the dynamics of Au NPs and of the corresponding plasmon resonance is discussed. The tunability of the plasmon resonance in a broad range is shown and the effectiveness as substrates for NIR SERS is demonstrated. The SERS response is investigated by using different laser sources operating both in the visible and in the NIR. SERS mapping of the SERS enhancement factor is carried out in order to evaluate their effectiveness, stability, and reproducibility as NIR SERS substrates, also in comparison with gold NPs fabricated by conventional sputtering and with the state‐of‐the‐art in the current literature.     

基于双D型光纤表面等离子共振折射率传感研究

以双D型光纤作为传输载体,研究了一种基于表面等离子共振技术的双D型光纤折射率传感器。利用时域有限差分法,分析了双D型光纤剩余包层厚度、金膜厚度、金膜表面粗糙度以及双通道传输对光纤SPR传感器性能的影响。仿真结果表明,当剩余包层厚度为300~500nm、覆盖的金膜厚度为50nm时,双D型光纤SPR传感器的性能得到优化;金膜表面粗糙度也是影响传感器性能的重要因素,当金膜表面粗糙度的均方根值低于2nm或其相关长度大于160nm时,金膜表面粗糙度对传感器性能的影响显著减小,且在折射率为1.33~1.36的传感环境下具有较好的线性度;在双D型光纤两侧覆不同的金属膜,可以实现信号的双通道测量。     

In Situ Studies of Surface‐Plasmon‐Resonance‐Coupling Sensor Mediated by Stimuli‐Sensitive Polymer Linker

Hybrid plasmonic nanostructures comprising gold nanoparticle (AuNP) arrays separated from Au substrate through a temperature‐sensitive poly(N‐isopropylacrylamide) (PNIPAM) linker layer are constructed, and unique plasmonic‐coupling‐based surface plasmon resonance (SPR) sensing properties are investigated. The optical properties of the model system are investigated by in situ and scan‐mode SPR analysis. The swelling‐shrinking transitions in the polymer linker brush are studied by in situ contact‐mode atomic force microscopy at two different temperatures in water. It is revealed that the thickness of the PNIPAM layer is decreased from 30 to 14 nm by increasing the temperature from 20 to 32 °C. For the first time the dependence of the coupling behavior in AuNPs is investigated with controlled density on the temperature in a quantitative manner in terms of the change in SPR signals. The device containing AuNPs with optimized AuNP density shows 3.2‐times enhanced sensitivity compared with the control Au film‐PNIPAM sample. The refractive index sensing performance of the Au film‐PNIPAM‐AuNPs is greater than that of Au film‐PNIPAM by 19% when the PNIPAM chains have a collapsed conformation above lower critical solution temperature.     

The Interplay between Surface Plasmon Resonance and Switching Properties in Gold@Spin Crossover Nanocomposites

Rod‐like gold nanoparticles are directly embedded in a 1D‐polymeric spin crossover (SCO) material leading to singular Au@SCO nanohybrid architectures. The resulting architectures are designed to promote a synergetic effect between ultrafast spin‐state photoswitching and photothermal properties of plasmonic nanoparticles. This synergy is evidenced by the strong modulation of the surface plasmon resonance of the gold nanorods through the spin‐state switching of the SCO component and also the strong enhancement of the photoswitching efficiency compared to pure SCO particles. This remarkable synergy results from the large modulation of the dielectric properties of the SCO polymer upon its thermal switching and the enhancement of the heating of these hybrid nanostructures upon excitation of the surface plasmon resonance of the gold nanorods.     

带有周期排列纳米孔结构金薄膜的散射光学性质

利用离散偶极近似的方法(DDJA),对具有周期排列纳米孔金薄膜的散射光学性质进行了研究.通过计算得到的散射光谱曲线,确定了表面等离子激元(SPPS)在增强和抑制薄膜散射性质方面起到了重要的作用,通过改变孔间距、孔数量和孔直径能够控制表面等离子激元对薄膜散射系数的影响.同时也分析了膜宽、膜厚对薄膜散射系数的影响,结果表明随着薄膜厚度的增加,表面等离子共振峰强度降低.     

基于开口谐振环的多频太赫兹透射特性研究

通过在双层金属开圆孔阵列并嵌入对称开口谐振环结构,设计了一种新型金属-介质-金属透射增强结构.用电磁仿真软件对该结构的透射特性进行模拟,研究了单元结构的几何参数对透射峰的影响.结果表明:增加开口谐振环可以有效增加透射峰数量,实现了0.2～1.1 THz内的多频超强透射.根据透射峰处金属表面的场分布,透射峰与磁谐振、局域型表面等离子体、传播型表面等离子体、法布里-珀罗谐振及他们之间的杂化耦合有关.结果对深入研究超强透射特性及透射机理具有一定的指导意义,也为太赫兹微波器件设计和性能分析提供了重要参考.     

Topographically Flat Substrates with Embedded Nanoplasmonic Devices for Biosensing

The ability to precisely control the topography, roughness, and chemical properties of metallic nanostructures is crucial for applications in plasmonics, nanofluidics, electronics, and biosensing. Here a simple method to produce embedded nanoplasmonic devices that can generate tunable plasmonic fields on ultraflat surfaces is demonstrated. Using a template‐stripping technique, isolated metallic nanodisks and wires are embedded in optical epoxy, which is capped with a thin silica overlayer using atomic layer deposition. The top silica surface is topographically flat and laterally homogeneous, providing a uniform, high‐quality biocompatible substrate, while the nanoplasmonic architecture hidden underneath creates a tunable plasmonic landscape for optical imaging and sensing. The localized surface plasmon resonance of gold nanodisks embedded underneath flat silica films is used for real‐time kinetic sensing of the formation of a supported lipid bilayer and subsequent receptor‐ligand binding. Gold nanodisks can also be embedded in elastomeric materials, which can be peeled off the substrate to create flexible plasmonic membranes that conform to non‐planar surfaces.