贵金属纳米颗粒阵列表面晶格模式增强圆二色性的研究

摘要

贵金属纳米结构的局域表面等离激元共振能够有效增大与外界光场的相互作用，故在微纳光子学领域中展现出丰富的应用前景。例如相对于手性分子，手性贵金属纳米结构的圆二色性强度可以获得几个数量级的提高，同时响应波段能够扩展到可见-近红外波段，故可用以设计超薄波片、高灵敏度传感等纳光子器件，其中如何提高圆二色性响应强度是实现这些应用的关键。由于辐射损耗的存在，局域表面等离激元共振通常品质因子较低，不利于提高贵金属纳米结构的手性响应。当纳米颗粒构成周期阵列结构，通过调整阵列周期和纳米颗粒的局域表面等离激元共振，可以实现局域共振与瑞利异常之间的耦合，从而产生具有很大品质因子的表面晶格共振，能够有效抑制体系辐射，增强与外界光场的相互作用。 基于表面晶格共振的上述特性，本文提出在手性贵金属纳米结构阵列中，通过对阵列周期的调整实现表面晶格共振的激发，从而提高其圆二色性响应强度。论文设计并研究了两类手性阵列结构，即劈裂纳米环二聚体阵列和纳米盘四聚体阵列，数值计算结果表明当引入表面晶格共振，的确可以有效增强圆二色性响应强度： （1）在劈裂纳米环二聚体构成的手性阵列结构中，采用左旋圆偏振光或右旋圆偏振光，可以选择性激发由局域表面等离激元共振与瑞利异常衍射耦合形成的表面晶格模式，与没有衍射耦合的结构相比，该模式可以增大对两种圆偏振光的吸收差异，进而增强阵列的固有圆二色性响应。其中仅考虑局域共振情况下，其透射率差值仅为0.12；当存在表面晶格共振时，其透射率差值可以提高到约0.7。 （2）在手性排列纳米盘四聚体阵列结构中，也可利用表面晶格共振增强其圆二色性。同时研究表明局域表面等离激元共振与瑞利异常衍射耦合形成的表面晶格模式不需要折射率匹配条件，可以通过控制覆盖物或基底的折射率来调节其圆二色性响应，故在不改变纳米结构的情况下，有望实现对圆二色性的动态调节。此外为了更好的理解表面晶格共振增强圆二色性机制，我们采用改进的Born-Kuhn模型用以分析其手性响应特征。

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