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专利名称：Fano共振和表面增强拉曼散射金属-电介质混合纳米天线

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202210527604.6

专利申请（专利权）人：东北石油大学
权利人地址：黑龙江省大庆市高新技术产业开发区学府街99号

专利发明（设计）人：吕靖薇,王德宝,李灵涵,李嘉欣,刘超,孔祥睿,裴云哲,杨琳,王建鑫,曾艳舒,徐璐辉

专利摘要：本发明涉及一种光学纳米天线，具体涉及一种Fano共振和表面增强拉曼散射金属?电介质混合纳米天线，天线由介电纳米圆环、中心金属纳米盘和6个外层金属纳米盘组成，7个金属纳米盘嵌套在介电纳米圆环内；6个外层金属纳米盘位于介电纳米圆环和中心金属纳米盘之间，且6个外层金属纳米盘圆周均布；中心金属纳米盘与每个外层金属纳米盘之间的间隙和相邻两个外层金属纳米盘之间的间隙相等；介电纳米圆环的材质为磷化镓，中心金属纳米盘和外层金属纳米盘的材质为银。该纳米天线实现了对Fano共振的位置和多共振波长的灵活调控，在生物传感等领域有着广泛的应用。该天线所表现出独特的光学特性为纳米超材料的研究提供理论和应用基础。

主权利要求：
1.一种Fano共振和表面增强拉曼散射金属?电介质混合纳米天线，其特征在于：金属?电介质混合纳米天线由介电纳米圆环（1）、中心金属纳米盘（2）和6个外层金属纳米盘（3）组成，中心金属纳米盘（2）和6个外层金属纳米盘（3）嵌套在介电纳米圆环（1）内；中心金属纳米盘（2）和介电纳米圆环（1）同心，6个外层金属纳米盘（3）位于介电纳米圆环（1）和中心金属纳米盘（2）之间，且6个外层金属纳米盘（3）圆周均布；所述中心金属纳米盘（2）与每个外层金属纳米盘（3）之间的间隙和相邻两个外层金属纳米盘（3）之间的间隙相等；所述介电纳米圆环（1）的材质为磷化镓，所述中心金属纳米盘（2）和外层金属纳米盘（3）的材质为银。
2.根据权利要求1所述的一种Fano共振和表面增强拉曼散射金属?电介质混合纳米天线，其特征在于：所述中心金属纳米盘（2）和外层金属纳米盘（3）之间的间隙L为1.5nm?
2.5nm。
3.根据权利要求2所述的一种Fano共振和表面增强拉曼散射金属?电介质混合纳米天线，其特征在于：所述中心金属纳米盘（2）和外层金属纳米盘（3）之间的间隙L为2nm。
4.根据权利要求1所述的一种Fano共振和表面增强拉曼散射金属?电介质混合纳米天线，其特征在于：所述外层金属纳米盘（3）与介电纳米圆环（1）内壁之间的间隙H为1.5nm?
2.5nm。
5.根据权利要求4所述的一种Fano共振和表面增强拉曼散射金属?电介质混合纳米天线，其特征在于：所述外层金属纳米盘（3）与介电纳米圆环（1）内壁之间的间隙H为2nm。 说明书 : Fano共振和表面增强拉曼散射金属?电介质混合纳米天线
技术领域：[0001] 本发明涉及一种光学纳米天线，具体涉及一种基于Fano共振和表面增强拉曼散射的金属?电介质混合纳米天线。背景技术：[0002] 随着时代的发展，人们对天线尺寸小型化的要求不断提高，导致微波射频天线的概念被引入到光频段，从而产生亚波长元素所构成的纳米光学天线。其源自于当入射光照射纳米颗粒时，金属颗粒内部自由电子集体振荡而产生的表面等离子体共振(LSPR)，这种LSPR现象是光学纳米天线局域光场的研究基础。[0003] 基于该原理的纳米天线包括很多种结构：按照材料不同可以分为金属光学纳米天线、介电光学纳米天线和金属?介电混合纳米天线。其中金属光学纳米天线是光学超材料中最为常见的微纳单元，其可以在天线附近提供很强的电场增强，因金属表现出独特的局域表面等离子体共振特性被广泛应用于生物成像、生物探测等领域。但是它仅仅支持电共振模式，并且固有属性的存在会对光学系统造成巨大的损耗。最有代表性的即为纳米线结构和开口环形结构。而后科研人员发现介质纳米天线可以显著降低光学系统的损耗，且同时支持电共振和磁共振两种模式，因此全介质纳米天线被广泛应用于构建吸收光伏元件以及惠更斯光子原件。但是其在局域场的增强方面远远弱于金属结构。最有代表性的是V形硅质纳米天线。[0004] 近些年来，科研人员综合两种微纳结构的优劣势，提出金属?电介质混合纳米天线的概念，该类结构可大大减小金属的固有损耗并且能够保持LSPR的特性，且可以同时存在电共振和磁共振两种模式。因此该类天线结构为增强表面拉曼散射、实现良好的Fano共振等方面提供广阔的前景。发明内容：[0005] 本发明弥补和改善了上述现有技术的不足之处，提供一种基于Fano共振和表面增强拉曼散射的金属?电介质混合纳米天线。该纳米天线能够通过改变圆环的材质，实现对Fano共振的位置和多共振波长的灵活调控，在生物传感等领域有着广泛的应用。金属?电介质混合纳米天线远远增强表面拉曼散射，该结构所表现出独特的光学特性为纳米超材料的研究提供理论和应用基础。[0006] 本发明采用的技术方案为：一种Fano共振和表面增强拉曼散射金属?电介质混合纳米天线，金属?电介质混合纳米天线由介电纳米圆环、中心金属纳米盘和6个外层金属纳米盘组成，中心金属纳米盘和6个外层金属纳米盘嵌套在介电纳米圆环内；中心金属纳米盘和介电纳米圆环同心，6个外层金属纳米盘位于介电纳米圆环和中心金属纳米盘之间，且6个外层金属纳米盘圆周均布；所述中心金属纳米盘与每个外层金属纳米盘之间的间隙和相邻两个外层金属纳米盘之间的间隙相等；所述介电纳米圆环的材质为磷化镓，所述中心金属纳米盘和外层金属纳米盘的材质为银。[0007] 进一步的，所述中心金属纳米盘和外层金属纳米盘之间的间隙L为1.5nm?2.5nm。[0008] 进一步的，所述中心金属纳米盘和外层金属纳米盘之间的间隙L为2nm。[0009] 进一步的，所述外层金属纳米盘与介电纳米圆环内壁之间的间隙H为1.5nm?2.5nm。[0010] 进一步的，所述外层金属纳米盘与介电纳米圆环内壁之间的间隙H为2nm。[0011] 进一步的，所述介电纳米圆环的内径为148nm?168nm，其外径为290nm?310nm，其厚度为8nm?12nm；所述中心金属纳米盘和外层金属纳米盘的直径均为45nm?55nm，其厚度均为8nm?12nm。[0012] 进一步的，所述介电纳米圆环的内径为158nm，其外径为300nm，其厚度为10nm；所述中心金属纳米盘和外层金属纳米盘的直径均为50nm，其厚度均为10nm。[0013] 进一步的，金属?电介质混合纳米天线的背景折射率为常数1，混合纳米天线在外场的激发下，表现出局域表面等离子体共振现象。[0014] 进一步的，所述混合纳米天线的入射光为平面波，波矢平行于z轴方向，偏振平行于x轴方向。[0015] 进一步的，所述混合纳米天线发生杂化，同时支持两种共振模式：电共振和磁共振。[0016] 进一步的，所述混合纳米天线的强耦合作用可远远增强表面拉曼散射。[0017] 进一步的，所述混合纳米天线的圆环材质变化可调节法诺共振的位置和强度[0018] 本发明的有益效果：提供了一种基于Fano共振和表面增强拉曼散射的金属?电介质混合纳米天线。该纳米天线能够通过改变圆环的材质，实现对Fano共振的位置和多共振波长的灵活调控，在生物传感等领域有着广泛的应用。金属?电介质混合纳米天线远远增强表面拉曼散射，该结构所表现出独特的光学特性为纳米超材料的研究提供理论和应用基础。附图说明：[0019] 图1是金属?电介质混合纳米天线的截面示意图；[0020] 图2是金属?电介质混合纳米天线的归一化电场值点位示意图；[0021] 图3是金属?电介质混合纳米天线不同介电材质的散射曲线图；[0022] 图4是λ＝548nm时金属?电介质混合纳米天线的电场增强轮廓图；[0023] 图5是λ＝589nm时金属?电介质混合纳米天线的电场增强轮廓图；[0024] 图6是λ＝653nm时金属?电介质混合纳米天线的电场增强轮廓图；[0025] 图7是λ＝697nm时金属?电介质混合纳米天线的电场增强轮廓图；[0026] 图8是λ＝719nm时金属?电介质混合纳米天线的电场增强轮廓图；[0027] 图9是金属?电介质混合纳米天线线A点的电场增强轮廓图；[0028] 图10是金属?电介质混合纳米天线B点的电场增强轮廓图；[0029] 图11是光金属?电介质混合纳米天线C点的电场增强轮廓图；[0030] 图12是λ＝548nm时金属?电介质混合纳米天线的磁场增强轮廓图；[0031] 图13是λ＝589nm时金属?电介质混合纳米天线的磁场增强轮廓图；[0032] 图14是λ＝653nm时金属?电介质混合纳米天线的磁场增强轮廓图；[0033] 图15是λ＝697nm时金属?电介质混合纳米天线的磁场增强轮廓图；[0034] 图16是λ＝719nm时金属?电介质混合纳米天线的磁场增强轮廓图。具体实施方式：[0035] 参照图1，一种Fano共振和表面增强拉曼散射金属?电介质混合纳米天线，金属?电介质混合纳米天线由介电纳米圆环1、中心金属纳米盘2和6个外层金属纳米盘3组成，中心金属纳米盘2和6个外层金属纳米盘3嵌套在介电纳米圆环1内；中心金属纳米盘2和介电纳米圆环1同心，6个外层金属纳米盘3位于介电纳米圆环1和中心金属纳米盘2之间，且6个外层金属纳米盘3圆周均布；所述中心金属纳米盘2与每个外层金属纳米盘3之间的间隙和相邻两个外层金属纳米盘3之间的间隙相等；所述介电纳米圆环1的材质为磷化镓，所述中心金属纳米盘2和外层金属纳米盘3的材质为银；所述中心金属纳米盘2和外层金属纳米盘3之间的间隙L为2nm；所述外层金属纳米盘3与介电纳米圆环1内壁之间的间隙H为2nm；所述介电纳米圆环1的内径为158nm，其外径为300nm，其厚度为10nm；所述中心金属纳米盘2和外层金属纳米盘3的直径均为50nm，其厚度均为10nm；金属?电介质混合纳米天线的背景折射率为常数1；所述金属?电介质混合纳米天线的背景折射率为常数1，混合纳米天线在外场的激发下，表现出局域表面等离子体共振现象；混合纳米天线的入射光为平面波，波矢平行于z轴方向，偏振平行于x轴方向。[0036] 该纳米天线是由7个金属纳米盘和介电纳米圆环构成的，在入射光平面波的激发下，波矢平行于x方向，偏振平行于y轴方向。金属?电介质混合纳米结构是一类既支持电共振又支持磁共振的结构，通过电共振与磁共振的强耦合作用，分析了不同共振模式的响应对散射特性的影响。同时在圆环材质的变化对Fano共振的影响。调节该混合纳米天线的结构参数以及材质变化可以在一定程度上调节法诺共振的位置及个数。计算该结构的归一化4 9 10电场值的四次方(E/E0) 可达10 ?10 ，因此可以广泛应用于增强表面拉曼散射。本发明为Fano共振可控的纳米天线提供了理论指导，对于提高生物传感特性和增强表面拉曼散射效应具有一定的参考价值。[0037] 通过有限元算法和多级分解理论仿真分析本混合纳米天线的特性，计算的波长范围为526nm?1000nm。计算中所使用材料Ag纳米盘和材料GaP的折射率均取自Palik手册。[0038] 由于纳米颗粒的局域等离子体共振特性对材料敏感，因而电介质的纳米颗粒的材料对其法诺共振现象有着重要的作用。图3为纳米天线不同电介质材质的散射曲线图。由图可知，在波长为600nm?1000nm间，两种不同材质的电介质的散射光谱近似相同，其中在λ＝653nm和λ＝719nm处呈现波峰的状态，这源于混合纳米天线的电磁极共振，而在λ＝697nm处出现法诺共振的不对称线型，从而在散射谱上形成一个缺口。而使用砷化镓作为电介质时，通过谱线可以明显的看到在波长λ＝548nm处呈现波峰的状态、波长λ＝589nm处呈现波谷的状态，这说明本发明所提的金属?电介质混合纳米天线能够促进法诺共振现象的产生。[0039] 为了进一步探索混合纳米天线的散射特性，计算绘制出金属?电介质混合纳米天线的电场和磁场分布如图4?16所示。据图4?8可以清晰的看出，当波长为λ＝548nm、λ＝589nm、λ＝653nm、λ＝697nm和λ＝719nm时，在金属?电介质混合纳米天线的缝隙部分电场会得到较大的增强，揭示了混合纳米结构中相互作用的本质。在波长为λ＝697nm、λ＝719nm时，纳米盘间隙处的场强最强，其余的时候相对较弱。图9?11分别显示了该混合纳米结构不同位置处的归一化电场值。其中在坐标为x＝26、y＝z＝0处的B点(如图2)，其归一化电场值4 9 10可达230，经计算，其(E/E0) 介于可达10?10 ，由此证明了金属?电介质混合纳米天线所使得的电场强度的增强作用可以应用于表面增强拉曼散射。[0040] 图12、图14和图16分别为波峰所在的波长为λ＝548nm、λ＝653nm和λ＝719nm在xoy平面的磁场强度分布。这3个波长下的磁热点是不同的：当波长λ＝653nm时，可以清晰的看出与y轴成对称分布的三对磁热点，其中y轴所在的间隙最强，当波长λ＝719nm时，三对磁热点耦合到中心位置，形成一个相对磁场强度更强的磁热点，反而当波长λ＝548nm时几乎看不到热点的存在。图13和图15分别为波谷所在的波长为λ＝589nm和λ＝697nm在xoy平面的磁场强度分布。根据图像我们可以看出，这2个波长下的磁热点均是对x轴成对称分布，在波长λ＝589nm处磁热点存在于沿x方向相邻金属盘间，而在波长λ＝697nm处磁热点存在于三金属圆盘间。其中在波长λ＝589nm和λ＝697nm处多级模式被激发，从而在散射谱线中形成一个缺口。由此证明金属?电介质混合纳米天线可以实现Fano共振现象的增强特性。

专利地区：黑龙江

专利申请日期：2022-05-16

专利公开日期：2024-11-22

专利公告号：CN115165837B