【摘要】：金屬納米結構因其在光波段的等離子體共振效應而使其光響應特性完全不同于金屬體材料,并使其在眾多科學和工程領域中有著重要應用。本論文圍繞金屬納米結構在人工電磁超材料和納米光子學這兩個領域中的應用開展研究。在將金屬納米結構應用于超材料的研究中,我們將金屬納米結構作為單元結構構造光波段超材料,調控人工材料的光響應參數；在將金屬納米結構應用于納米光子學領域的研究中,我們將金屬納米結構作為納米光學天線,調控納米發(fā)光體的發(fā)光特性。我們首先提出了一種基于耦合金屬納米環(huán)的新型雙負負折射率超材料結構設計。這種新型設計可以在可見光波段甚至近紫外波段工作,而且品質因子遠遠高于當時的可見光負折射率超材料。該設計填補了低損耗雙負負折射率材料在綠光、藍光、紫光和近紫外波段的空白,可在包括超分辨成像在內的超材料應用領域中發(fā)揮作用。我們還設計了一種新型的介質-金屬復合諧振環(huán)(Hybrid Ring Resonator, HRR)磁響應納米諧振腔。HRR可以在短至近紫外的短波波段構造可均勻化的磁響應超材料。研究中我們提出了環(huán)形納米諧振腔模型,并將全介質磁響應諧振腔、傳統開口諧振環(huán)(Split-Ring Resonator, SRR)磁響應諧振腔和我們設計的介質-金屬復合諧振環(huán)(HRR)磁響應諧振腔這三類諧振腔歸納到環(huán)形納米諧振腔模型框架內,對應環(huán)形納米諧振腔模型中的三種共振類型。我們提出的新型諧振腔設計以及環(huán)形納米諧振腔模型的構建和分析對于磁響應納米諧振結構的設計具有啟發(fā)意義。研究中,我們首次在單金屬條上發(fā)現了反對稱等離子共振模式。我們發(fā)現,只要形成介質-金屬-介質(Insulator-Metal-Insulator, IMI)納米三明治結構,單金屬條就能支持反對稱的等離子共振模式。利用數值模擬和波導諧振腔模型分析,我們揭示了IMI納米三明治結構中高折射率介質層在反對稱等離子共振模式形成中起到的關鍵作用。我們將IMI納米三明治結構應用于構造超材料,實現藍光至近紫外波段的磁響應。IMI納米三明治結構中反對稱模式的發(fā)現以及波導諧振腔模型建模分析對于等離子體振蕩模式的理論研究具有啟發(fā)意義；而IMI納米三明治結構所特有的短波磁響應特性使其在磁響應超材料構造以及磁偶極躍遷調控方面具有潛在應用價值。在納米光源發(fā)光調控研究中,我們開發(fā)了基于單量子點熒光探針的納米天線場增強譜定量測量方法。該實驗工作的關鍵是開發(fā)高穩(wěn)定性的量子點熒光探針以及高精度構建量子點與納米光學天線的耦合體系。我們在高量子效率的量子點外包覆了二氧化硅膜層,從而實現了高穩(wěn)定性的單量子點熒光探針；利用本論文開發(fā)的基于輕敲模式的原子力顯微鏡納米操縱技術,我們實現了單量子點與納米光學天線高精度耦合。該測量方法不僅能為納米光學天線的基礎和應用研究提供表征支持；我們還可以利用該方法及該方法中使用的制備技術,開發(fā)基于單量子點-納米天線耦合體系的新型量子光源。
【圖文】：

備受矚目的負巧射率超材料實現后，，人們開始將其王作波段從較易實現的微波段一路逡逑往短波方向發(fā)展，最終實現了光波段負折射率超材料。人們首先通過縮小銅雙開口諧振環(huán)逡逑的整體尺寸，實現了太赫茲波段的負滋導率超材料（見圖１．２邋（ｂ））邋［６］。由于雙開口諧振逡逑環(huán)等效電容過大，且縮小尺寸后制備困難，人們改變了諧振環(huán)的結構，利用金單開口諧振逡逑環(huán)，實現了百太赫茲（紅外波段）的負撼導率超材料（見圖１．２邋（Ｃ））邋［７］。為了進一步縮逡逑短工作波長，單開口諧振環(huán)演變?yōu)椋招烷_口諧振環(huán)。利用金Ｕ型開口諧振環(huán)，人們實現逡逑了邋１．５Ｍｍ近紅外通訊波段負磁導率超材料（見圖１．２邋（ｄ））邋［８］。將開口諧振環(huán)尺寸繼續(xù)逡逑縮小，人們發(fā)現進入了尺寸縮小波長減小的飽和效應區(qū)［９］，當利用金開口諧振環(huán)實現９００逡逑ｒｎｎ近紅外磁響應超材料（見圖１．２邋（ｅ））時，飽和效應已經顯現，磁響應已不能讓磁導逡逑率達到負值［１０］。逡逑開口諧振環(huán)結構不僅遇到了磁響應飽和效應，而且將開口諧振環(huán)與金屬線結合來實現逡逑介電常數與磁導率均為負的雙負負折射率崣姑料在短波段微納米結構上也較難實現。２００５逡逑年，Ｓ個研究組幾乎同時提出了金屬介質王明治結構來實現磕響應（圖１．３）邋［１１－１３］。這逡逑種結構中

圖１．２開口諧振環(huán)結構在微波段實現負折射率超材料后，將開口諧振環(huán)結構工作波長往光波逡逑段發(fā)展的結構演化
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TB383.1;TG111

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本文編號：2570461