金属纳米圆盘-纳米球间隙模式表面等离激元共振特性研究.pdf 6页

'中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn金属纳米圆盘-纳米球间隙模式表面等离激#元共振特性研究12**李梦君，方晖5（1.南开大学电子信息与光学工程学院,现代光学研究所,天津300350；2.深圳大学光电工程学院，纳米光子学研究中心，深圳518060）摘要：本文采用有限元方法模拟计算了在非聚焦径向偏振光束激发下，金属纳米圆盘，金属纳米圆盘加纳米球，金属纳米球，金属薄膜，金属薄膜加纳米球这五种纳米结构的近场光谱10以及电场增强因子，本文研究了金属为金的情况。计算结果表明，金纳米圆盘的等离激元呼吸模式可以得到有效激发，圆盘中心处的纵向场得到了10倍左右的电场增强，在加上金纳米球后形成的间隙模式可以使电场进一步增强10倍。对这几种纳米结构的计算结果的相互横向比较证实，金纳米圆盘-纳米球结构的间隙模式表面等离激元共振是由沿径向的电场分量所激发的，径向偏振光传播时所具有的纵向分量的作用可以忽略。15关键词：微纳光学；金属纳米圆盘；表面等离激元共振；间隙模式中图分类号：O433O436ResearchaboutthePropertiesofMetalNanodisk-NanosphereGapModeSurfacePlasmonic20Resonance12LIMengjun,FANGHui(1.CollegeofElectronicInformationandOpticalEngineering,InstituteofModernOptics,NankaiUniversity,Tianjin300350;2.CollegeofOptoelectronicEngineering,NanophotonicsResearchCenter,ShenzhenUniversity,25Shenzhen518060)Abstract:Inthispaper,thesimulationbasedonthefiniteelementmethodhasbeencarriedouttocalculatethenearfieldspectraandelectricfieldenhancementfactorsoffivenanostructuresundertheexcitationofunfocusedradiallypolarizedopticalbeamincludingmetalnanodisk,metalnanodiskwithnanosphere,metalnanosphere,metalfilm,metalfilmwithnanosphere.Thecaseof30Auasthemetalhasbeenconsidered.ThecalculationresultsshowthattheplasmonicbreathingmodesofanAunanodiskcanbeeffectivelyexcitedwiththelongitudinalelectricfieldenhancedby10times,whileanother10timesenhancementcanbeobtainedbyaddinganAunanospheretoformthegapmode.Fromthecomparisonofthesenanostructures,itcanbeprovedthatthegapmodesurfaceplasmonicresonanceofthemetalnanodisk-nanosphereisexcitedbythelaterial35componentoftheradiallypolarziedbeam,andeffectthelongitudinalcomponentownedbythebeamduringthetransmissioncanbeneglected.Keywords:microandnanooptics;metalnanodisk;surfaceplasmonicresonance;gapmode0引言40金属纳米结构受到光激发而产生的表面等离激元共振（SPR）因为能产生非常显著的表[1][2,3]面电场增强，所以在诸如表面增强拉曼和超灵敏生物化学传感，非线性等离激元光学基金项目：高等学校博士点专项基金（20130031110036）；天津市应用基础与前沿技术研究计划（14JCYBJC16600）作者简介：李梦君（1986年生），女，博士研究生，主要研究方向：金属纳米结构的表面等离激元特性通信联系人：方晖（1973年生），男，教授，主要研究方向：颗粒光谱学，光声效应，扫描探针拉曼成像，漩涡光束.E-mail:fhui79@szu.edu.cn-1- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn等研究方面得到了广泛应用。能有效产生局域电场增强的金属纳米结构多种多样，包括例如[4,5][6][7]各种具有尖端的纳米颗粒，纳米颗粒之间的间隙，金属薄膜上的纳米颗粒等。其中，尖端结构是由于极端小的曲率半径而形成电荷聚集产生表面电场增强，金属薄膜上放置纳米45颗粒是因纳米颗粒的局域表面等离激元与金属薄膜的传播表面等离激元相互作用产生了间隙结构的表面增强。在激发后者的SPR时，往往需要采用光的斜入射以使在垂直于金属膜[8]的方向上具有足够大的电场分量。在本文中我们用有限元数值计算方法（FEM）研究了一种新型的间隙模式，即一个金属纳米球颗粒放置在一个金属纳米圆盘上正中心所形成的间隙模式。这种间隙模式的主要特点50是可以利用正向入射的径向偏振光来激发，这是由于径向偏振光可以很有效地激发金属纳米[9]圆盘的等离激元呼吸模式，导致在盘中心以及盘边缘的电荷聚集以及沿径向的来回振动，在中心聚集的电荷进而可以激发纳米球颗粒的局域表面等离激元，最终形成间隙中的电场增强。为了更好地揭示金属纳米圆盘等离激元呼吸模式所起的主要作用，我们同时对金属纳米55圆盘，金属纳米球颗粒，金属薄膜，金属薄膜加上金属纳米球颗粒也进行了计算分析。我们计算并比较了这五种几何结构在相同的径向偏振光激发下，所产生的SPR光谱和所对应的2电场增强因子。计算结果表明这种新型的间隙模式可以达到10数量级的电场增强，比单个的金属纳米圆盘增强了10倍。考虑到这种间隙模式也可以在金属探针和金属纳米圆盘之间形成，我们相信这种电场增强机制将在针尖型拉曼增强散射（TERS）测量中具有潜在的应60用前景。1模拟计算方法[9]在我们之前研究金属纳米圆盘的等离激元呼吸模式光学激发时，采用了正对着传播的径向偏振光，目的是为了消去径向偏振光本身所带有的微弱的纵向分量的影响，只需考虑径向分量的激发。这里我们也采用了相同的入射光束来进行模拟计算，其几何空间分布65如图1所示，从图中可以看到明显的干涉条纹效果。在计算中，我们将所考虑的金属纳米结构放置在二维旋转对称空间的正中央，这里有一块上下大约20nm的空间所对应的入射光场的纵向分量几乎为零。本文计算了五种金属纳米结构，其中的两种即金属纳米圆盘-纳米球结构和金属薄膜-纳米球结构如图2所示。如图2(a)所示，所计算的金属纳米盘的半径为600nm，厚度为10nm，70金属纳米球半径为50nm，球和盘的间距为5nm；如图2(b)所示，所计算的金属薄膜实际上是用半径为500μm的盘做的近似，这是考虑到在2维旋转对称模型下来做计算，由于光束的半径大约为10μm，远小于这个盘的尺寸，因此是一个很好的近似，金属薄膜的厚度也为10nm，计算时的金属球颗粒仍然为50nm，球和薄膜的距离也为5nm。另外三种结构分别为处在相同空间位置的独立的金属纳米盘，金属纳米球，以及金属薄膜。-2- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn75图1模拟计算中的径向偏振光束电场分布图.(a)横切面图;(b)纵切面图;(c)纵切面中心区域局部放大图.Fig.1Graphofelectricfielddistributionoftheradiallypolarizedopticalbeamusedinthesimulation.(a)Lateralcrossection;(b)Longitudinalcrossection;(c)Magnifiedviewofthelongitudinalcrossectionforthecenterarea.80图2模拟计算中所研究的纳米几何结构.(a)金纳米圆盘加金纳米球,圆盘半径为600nm厚度为10nm,球半径为50nm,盘和球的间距为5nm，这里为了显示目的把盘的高度扩大了10倍;(b)金薄膜加金纳米球,金薄膜取500μm半径、10nm厚的圆盘,球的半径也为50nm,薄膜和球的间距也为5nm,这里为了显示目的把球的大小扩大了500倍，把膜的厚度扩大了1000倍.Fig.2Nanostructuresstudiedinthesimulation.(a)AunanodiskwithAunanosphere,wherethenanodiskhas85radiusof600nm,thicknessof10nm,thenanospherehasradiusof50nm,andthegapdistancebetweenthenanodiskandnanosphereis5nm.Forbettervisualization,thethicknessofthenanodiscin(a)ismagnifiedby10times;(b)AufilmwithAunanosphere,wheretheAufilmistreatedasalargediskwithradiusof500μm,thicknessof10nm,thenanospherealsohasradiusof50nm,andthegapdistancebetweenthefilmandthenanosphereisalso5nm.Forbettervisualization,thenanospherein(b)ismagnifiedby500times,thethicknessof90thefilmin(b)ismagnifiedby1000times.-3- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn[10]在计算中考虑了金属为金，介电常数取自非常普遍使用的文献中的结果。金纳米结构周围的介质取为真空。2结果及讨论95我们首先计算了所设定的五种纳米结构的近场光谱，都取自的这一点，由于相同的纳米部件都设置在同样的空间位置，金纳米圆盘和薄膜的厚度均为10nm以及金纳米球与盘或薄膜的间距均为5nm，因此该点距离金纳米圆盘或薄膜的距离为2nm，距离纳米金球的距离为3nm。100图3计算获得的近场电场幅值随入射光波长变化的曲线Fig.3Calculatedcurvesofthenearfieldelectricfieldamplitudeversustheincidentwavelength各计算所获得的近场电场的幅值随入射光束波长的变化曲线即光谱曲线如图3所示，由图中的曲线作图图标所示，实际的金纳米球颗粒光谱需除以100，金薄膜的光谱需除以6000，105金纳米球加薄膜的光谱需除以600，金纳米圆盘的光谱需除以10。从图中的相互比较可以看出，首先是纳米金圆盘显示出明显的3个共振峰，从我们之前的研究结论可知这些共振峰对应的是被激发的等离激元呼吸模式，而金薄膜的光谱平缓变化没有共振峰并且幅值相比而言要低3个数量级，这表明垂直入射的径向偏振光并不能激发金薄膜的表面等离激元；另外比较重要的是在金纳米圆盘正中加上金纳米颗粒后共振峰幅值增110加了10倍以上，能量较低的3个共振峰仍然很明显，第2和第3个共振峰有明显的红移，并显现出第4个共振峰，这些现象说明纳米金盘的等离激元呼吸模式和纳米金球的等离激元电偶极模式相互耦合形成了间隙模式，并且金纳米球电偶极模式与能量相近的呼吸模式耦合作用更强，所形成的间隙模式能量降低地也更多。此外，通过比较金纳米球、金薄膜、金薄膜上加金纳米球这三种纳米结构，可以看出，115金薄膜上加金纳米球后出现了两个共振峰，光谱幅值提高了约10倍，但比金纳米球来看光谱幅值却要低10倍左右。我们对此现象作了初步分析如下，由于这里所用的入射光为垂直于金薄膜的径向偏振光，不能直接激发其表面等离激元，因此金纳米球颗粒与金薄膜的相互-4- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn耦合是源自于金纳米球颗粒的局域表面等离激元被激发后，进而再去耦合激发金薄膜的表面等离激元传播，由于平行于金薄膜的电偶极也是方向相同时耦合能量降低，导致低能量间隙120模式的电场强度会反而降低。图4计算获得的表面电场增强因子.(a)和(b)在金纳米球所处位置上方3nm处点入射光束的光谱分布以及在金纳米圆盘边缘2nm处点入射光束的光谱分布;(c)各个金纳米结构的表面电场增强因子.Fig.4Calculatedsurfaceelectricfieldenhancementfactors.(a)、(b)Spectrumdistributionatthepoint3nmabove125theAunanosphereandspectrumdistributionatthepoint2nmawayfromtheedgeoftheAunanodisk;(c)Surfaceelectricfieldenhancementfactorsforthenanostructures.为了更直接地展现出间隙模式的激发效率及其在TERS和SERS（表面增强拉曼散射）中的应用价值，我们在表面等离激元共振光谱计算基础上，进一步计算了表面电场增强因子。130对于金纳米盘以及金纳米盘加球这两种结构，我们取金纳米盘边缘2nm处的入射光场来计算盘中心上方的表面电场增强因子，这是考虑到金纳米圆盘的呼吸模式激发的强弱是由盘边缘处径向偏振光的电场幅度决定的。而对于金薄膜，金薄膜加金纳米球，金纳米球这三种结构，我们取中心上方113nm处点的入射光电场来进行计算表面电场增强因子，当有金纳米球时，是考虑到等离激元激发主要是球上方处的z电场分量起主要作用，对于金薄膜也用到135其来计算增强因子是为了方便相互比较。如图4(a)和(b)所示，为以上这两个参考点处的入射光电场幅值光谱，中心点处的值大约为边缘点处的1/3左右。图4(c)显示了由以上选取入射光参考点方法计算的表面电场增强因子的结果，从中可以看出金纳米圆盘的表面电场增强因子达10倍左右，金纳米圆盘加球的超过100倍，金纳米球的只有2倍左右，金薄膜加球的小于0.5。对应到SERS增强因子上，纳米金盘的可以达48140到10倍，纳米金盘加球的超过10倍。-5- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn3结论本文的模拟计算结果确证了在金纳米圆盘正中加上金纳米球形成的间隙结构可以达到100倍以上的电场增强，比单独纳米金圆盘因径向偏振光激发等离激元呼吸模式得到的中心点电场增强提高了10倍，因此对应于不同的应用场合，这两种结构在径向偏振光激发下都145可以作为有效产生SERS增强的基本结构。本文中另外计算的单个金纳米球，金薄膜，以及金薄膜加纳米球这几种结构，是为了进行比较，通过相互比较证明了径向偏振光中的沿光束传播方向的电场分量，在金薄膜-纳米球和金纳米属圆盘-纳米球间隙模式等离激元的激发中只起到了很微弱的作用。虽然本文只研究了金属为金的情况，但对于其他金属特别是银应该也会有相似的结果。150致谢感谢高等学校博士学科点专项基金（20130031110036）和天津市应用基础与前沿技术研究计划（14JCYBJC16600）对本研究的支持。[参考文献](References)155[1]DuyneRPV,WilletsKA.Localizedsurfaceplasmonresonancespectroscopyandsensing[J].AnnualReviewofPhysicalChemistry,2007,58:267-297.[2]KimS,JinJH,KimYJ,ParkIY,KimY,KimSW.High-harmonicgenerationbyresonantplasmonfieldenhancement[J].Nature,2008,453:757-760.[3]KauranenM,ZayatsAV.Nonlinearplasmonics[J].NaturePhotonics,2012,6:737-748.160[4]HaoF,NehlCL,HafnerJH,NordlanderP.Plasmonresonancesofgoldnanostar[J].NanoLetters,2007,7:729-732.[5]PedireddyS,LiAR,BosmanM,PhangIY,LiSZ,LingXY.SynthesisofspikyAg-Auoctahedralnanoparticlesandtheirtunableopticalproperties[J].J.ofPhysicalChemistryC,2013,117:16640-16649.[6]KangT,RhieJ,ParkJ,BahkYM,AhnJS,JeonH,KimDS.Resonancetuningofelectricfieldenhancement165ofnanogaps[J].AppliedPhysicsExpress,2015,8:092003.[7]ChenS,MengLY,ShanHY,LiJF,QianLH,WilliamsCT,YangZL,TianZQ.Howtolightspecialhotspotsinmultiparticle-filmconfigurations[J].ACSNano2016,10:581-587.[8]MubbenS,ZhangSP,KimN,LeeS,KramerS,XuHX,MoskovitsM.Plasmonicpropertiesofgoldnanoparticlesseparatedfromagoldmirrorbyanultrathinoxide[J].NanoLetters,2012,12:2088-2094.170[9]LiMJ,FangH,LXM,YuanXC.Exclusiveandefficientexcitationofplasmonicbreathingmodesofametallicnanodiscwiththeraidallypolarizedopticalvectorbeam[J].Submitted.[10]JohnsonPB,ChristyRW.Opticalconstantsofthenobelmetals[J].PhysicalReviewB,1972,6:4370-4379.-6-'