電漿子納米光圈的特殊光透性.doc

電漿子納米光圈的特殊光透性摘要：在本文中，我們研究納米光圈在被不透明障礙物遮蓋情況下的光透射異?，F(xiàn)象。在傳統(tǒng)的光學(xué)中，光傳播路徑被遮擋，光的透射減弱。但是，我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)納米圓盤的波長接近等離子體共振頻率時，光透射增強。這種效應(yīng)甚至出現(xiàn)在當(dāng)圓盤比孔徑大的情況下。關(guān)鍵詞：電漿納米結(jié)構(gòu)，納米圓盤，納米光圈，掃描近場光學(xué)顯微鏡，增強透光該光學(xué)系統(tǒng)包括宏觀組件（尺寸比光的波長較大），以及通過空間沿直線傳播的光射線。當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)尺寸減小到一定程度，光線不能被視為嚴(yán)格沿直線傳播的光，例如，在光的衍射中這種影響是很容易觀察到的。但是，普遍認為，當(dāng)光被一個可以吸收或反射光的障礙物遮擋時，光傳播的強度會降低。那么，如果光系統(tǒng)進一步按比例減少尺寸到比波長更小時，會導(dǎo)致什么結(jié)果？在本文章中，我們提出一個現(xiàn)象，在由金屬納米結(jié)構(gòu)組成的光學(xué)系統(tǒng)中，雖然有障礙物遮擋光路，但在傳播過程中，光的強度實際上增加了。在我們的光學(xué)系統(tǒng)中，光將會通過在一個不透明的金屬絲網(wǎng)圓孔傳輸。在宏觀的系統(tǒng)，如果光圈是一個由直徑大于孔徑不透明障礙密切覆蓋，沒有光可以通過傳播光圈（或者至少是強度會減少）。這種光學(xué)配置，其中光圈是被不透明的障礙所覆蓋，此后均簡稱為“電漿光圈”。當(dāng)系統(tǒng)中所涉及的部件的尺寸接近或更小于光的波長，一般系統(tǒng)并不會像預(yù)期的幾何結(jié)構(gòu)那樣運轉(zhuǎn)。該系統(tǒng)顯示了獨特的性能，特別是該當(dāng)光學(xué)元件與在電磁場下的另一個光學(xué)元件相互影響下，性能更好。金屬納米結(jié)構(gòu)的增強，從本地創(chuàng)建傳導(dǎo)電子的集體振蕩產(chǎn)生的光場（通常稱為表面等離子體激元，或簡稱等離子體）。當(dāng)電磁場頻率接近等離子體共振頻率時，組分材料之間通過電磁場的相互作用變得尤為顯著的。因此，覆蓋的金屬納米結(jié)構(gòu)的光圈可能會出現(xiàn)特殊的光傳播性能，這種特性傳統(tǒng)光學(xué)中還不曾出現(xiàn)過。單亞波長光學(xué)孔徑傳播在過去的十年一直被人們實驗著，并且由于在光圈等離子體激發(fā)而引起的光透射增強，已經(jīng)報告過了。在本研究中，我們運用光闌光譜測量型近場光學(xué)顯微鏡，通過獨特的黃金納米盤平面，我們發(fā)現(xiàn)了納米金屬覆蓋的小孔的獨特光學(xué)性能。該近場顯微鏡的光闌探針基本上是一個在金屬屏幕上打開的小光圈，前端是一個光圈，調(diào)整探針到靠近黃金納米磁盤的上方位置。在此安排下，近場探針和納米磁盤，分別向光圈和封蓋的障礙對應(yīng)。當(dāng)亞波長接近黃金納米磁盤等離子體共振波長時，我們發(fā)現(xiàn)這個系統(tǒng)的一個反常的光透射增強現(xiàn)象。觀測到的異?，F(xiàn)象的原因和對等離子體共振現(xiàn)象的影響將基于模型分析計算。金圓盤（50-200 nm和35 nm厚的直徑）用電子束光刻技術(shù)（數(shù)密度磁盤：1微米- 2）制作成蓋玻片。磁盤的幾何尺寸的測量，采用地形學(xué)手段，使用了掃描近場光學(xué)顯微鏡（SNOM）或掃描電子顯微鏡（SEM）。光圈近場光學(xué)顯微鏡處于操作環(huán)境條件下。近場光學(xué)光纖探針需被蝕刻和涂鍍黃金層（厚度：約300-400納米），然后在尖端創(chuàng)建的一個孔徑（從JASCO公司購買）。探頭的孔徑由100 nm處的掃描電鏡圖像確定認證。近場探頭通過反饋機制，由樣品表面附近的剪切力維持。對于傳輸測量，氙氣放電燈被用作光源，樣品被近場探頭光圈照亮。光子通過樣品傳輸，由一個物鏡收集，并由一個多色- CCD系統(tǒng)檢測。在掃描區(qū)域通過每個點測量傳輸強度，并且在樣品盤中心測得的近場傳輸譜將作為測量透射光強度的比率I，在空白基板上得到IO.遠場消光光譜通過測量金屬納米結(jié)構(gòu)材料下的透射光強度而得到I，并在裸露的基板下得到IO，并繪制(IO-I)/IO與波長得關(guān)系圖。對于遠場測量點的尺寸只適用于幾十微米。圖1a顯示了遠場消光光譜觀測的黃金圓盤。在波長度大于600納米的區(qū)域可發(fā)現(xiàn)消光峰。峰值波長取決于磁盤的直徑和轉(zhuǎn)移具有更長的波長的趨勢，并與在磁盤的直徑呈線性增大關(guān)系。相對于磁盤直徑的轉(zhuǎn)變的方式類似于金納米棒。伴隨縱橫比（=長度/直徑）的增加，波長較長的棒轉(zhuǎn)變將滅絕高峰。從理論上講，高峰轉(zhuǎn)變是密切相關(guān)的散射體，它是由縱橫比決定去極化的因子。縱橫比變高時，去極化因子將變小，共振波長將變長。對于圓盤，縱橫比是磁盤的高比上磁盤直徑。所觀察到的峰移再次與去極化因子相關(guān)，伴隨磁盤直徑的增加，去極化因子將變小，導(dǎo)致峰值波長變長。圖1a中的另一個突出特點是磁盤上有無峰高受磁盤直徑影響強烈。依賴關(guān)系可能與磁盤的容量有關(guān)。據(jù)三重球形粒子散射理論預(yù)測，吸收和散射強度，分別與粒子的體積和粒子體積的平方成正比。如果我們近似處理一個金制圓盤為扁球體，磁盤的光學(xué)特性可據(jù)甘斯的理論進行模擬，該理論中將粒子的形狀和等離子體共振的阻尼因子作為考慮的基礎(chǔ)。磁盤的極化是由以下方程得到的（1）其中L是去極化因子，和m分別表示黃金的介電常數(shù)和周圍介質(zhì)的介電常數(shù)， k是入射光波失。變量V和D分別代表磁盤的體積和直徑，方程1分母中第二項和第三項分別表示去極化的變化和體積的減幅。磁盤的消光光譜可由極化的虛部獲得。圖1b顯示了磁盤的模擬光譜。峰值位置，峰寬，以及消光帶相對峰強度也很好地通過半定量模擬再現(xiàn)。我們發(fā)現(xiàn)體積的減幅對所觀察到的帶寬至關(guān)重要的影響。共振峰屬于等離子體的基本偶極模式，其基于外光譜以及模擬的等離子模式的分析。我們通過光從接近黃金納米盤的近場探頭孔徑傳播來進行研究。圖2b顯示了一個典型的通過單打金牌納米磁盤（150 nm和35 nm的高直徑）觀察的近場透射譜。樣品和探針安裝示意圖如圖2a所示。由于探頭的孔徑比磁盤小，而且光圈和磁盤表面的距離足夠小“（30納米），系統(tǒng)可能會被視為一個上限光圈。圖2b的垂直軸，I/IO,表示透光率，其中I和IO分別在近場探頭測量下，通過磁盤中心和空白基板光的發(fā)射強度。如果樣品（磁盤）不影響從孔徑傳播的光的效率，透光率等于一，如果樣品為普通材料，透光率將小于一。我們發(fā)現(xiàn)在400到760 nm的光譜區(qū)域，透光率小于一，這與上述假設(shè)一致。與此相反，我們在較長的波長區(qū)域內(nèi)發(fā)現(xiàn)異常行為。透光率大于一，這表明，在磁盤存在下透光強度增強。這種增強效果取決于波長，特別是 840 nm左右 2.7nm區(qū)段。應(yīng)該指出的是，通過幾何口徑光學(xué)路徑是完全由磁盤封鎖如上所述，見圖2a所示。同樣值得注意的是，該磁盤比黃金（約12日波長為800納米）的皮膚深度厚。因此，磁盤封鎖光圈時，預(yù)計從幾何因素分析，沒有光傳輸。令人奇怪的是，在這樣的情況下實際光圈傳輸增強了。當(dāng)探針光圈從磁盤縮回，光增強消失，可觀察到透射光強度降低。只有當(dāng)光圈靠近磁盤時光增強現(xiàn)象可觀察到。我們分析了光的異常增強的傳輸機制。我們發(fā)現(xiàn)，通過光的穿透探測器，光傳播的特性可被觀察到，可通過轉(zhuǎn)載電磁場模型有限差分的時域（FDTD）法再現(xiàn)，如圖3所示的計算定性。該盤厚度和直徑分別設(shè)置為40和160納米。通過計算，金屬涂層的厚度為250 nm。通過光圈和磁盤（圖3b）比無磁盤（圖3a）時光傳播強度強。計算計算過程中，增強了長波影響，減弱了短波影響，這也與上述實驗結(jié)果一致。通過計算推測出，光圈和磁盤的間離是異常光傳輸?shù)年P(guān)鍵。傳輸只有當(dāng)磁盤靠近光圈但不直接接觸時，光傳播加強（圖3b）。計算顯示當(dāng)磁盤接觸光圈時，透光強度將大大降低，如圖3c所示?？紤]到光圈是被金屬完全密封的，當(dāng)二者接觸時光傳輸?shù)臏p少是合理的。對于厚盤（厚度80納米，直徑160納米），這些傾向也會發(fā)生。關(guān)于異常傳播的的更多物理解釋，是建立在傳輸特性上考慮磁盤大小的影響。圖4a顯示了近場對不同直徑黃金納米盤透射譜。伴隨磁盤的直徑增大，峰值波長向長波方向移動。在同一時間，光傳輸加強變得更明顯。峰值波長依賴這些直徑和高度都是類似于在圖1中的磁盤觀察到的法菲爾德透射光譜。這一結(jié)果表明，等離子體共振對觀察到的近場傳輸異常行為起主要影響作用。探討了光透射加強的原因，我們總結(jié)出光圈代光學(xué)近場的傳遞性和磁盤上的誘導(dǎo)的等離子體共振性質(zhì)。在近場光纖探針光圈的光學(xué)近場是由光圈背面的閃耀燈（由光纖的另一端引進光子）創(chuàng)建的。關(guān)于光圈探測的入射光大部分在光圈處被反射回光源。只有一小部分光通過光圈傳輸。如果電漿對象是被放置在光圈附近，該對象將作為天線，用來從光圈背面提取會被反射回光源的光子。然后，等離子是激勵的對象，激發(fā)等離子體發(fā)射遠場光子。因此，在磁盤的存在下，透射光強度將加強。在前面討論過的這個想法的基礎(chǔ)上，我們以球狀顆粒甘斯理論為基礎(chǔ)，采用電磁模型進行計算，模擬了近場透射光譜。電場振幅通過光圈發(fā)射EO，取決于光圈的距離和方位（在本案中，我們并不需要考慮方位角，因為我們只討論光軸上的行為）。探頭孔徑不僅提供本地化的近場光子而且傳播遠場的光子。在附近的光圈，EO包含近場和遠場兩部分，因而總電場非常高。伴隨光圈距離的減少，近場分量越來小，到最哈只傳播遠場分量。在電漿光圈存在的情況下，磁盤位于附近的光圈，因此磁盤上的等離子體是由強電場激發(fā)的，主要由近場分量來提供。然后，從磁盤，由電漿電場ELSP誘導(dǎo)分化發(fā)出，其強度再次由磁盤與光圈的間距而定。在遠離光圈和磁盤的位置檢測到的信號場是EO和ELSP的總和。對于電漿光圈的透光率由下列方程確立(2)其中上標(biāo)F表示場是在遠場檢測。在附近的光圈電場產(chǎn)品和磁盤的極化下，電漿電場ELSP由發(fā)射電場EO引起。光圈附近的電場EO載有近場部分的主要貢獻。嚴(yán)格地說，極化所需的計算ELSP應(yīng)該是近場散射NF，LSP。雖然據(jù)三重球形粒子散射理論分析，球形近場散射NF，LSP是一個簡單形式，但是近場散射NF，LSP的計算不能視為簡單的球體公式。在這里，我們假設(shè)近場極化約等于遠場極化，這是基于擴展甘斯的球理論，由方程1得出的。然后，電漿電場ELSP通過LSPEO得到，其中EO代表光圈附近的電場。在遠場區(qū)域所檢測的信號，沒有EO和ELSP的德近場分量，從而外光圈的遠場電場EOF和遠場電漿電場ELSPF之間的振幅平衡立即不同于光圈電場EO和電漿電場ELSP之間的振幅平衡。借此考慮到效果，我們介紹幅度的參數(shù)E LSP，作為一個合適的參數(shù)，并以式代入方程2中得到下列公式(3) 前兩個項是與遠場透射光譜公式相同的形式，第三項對應(yīng)從磁盤的等離子體激發(fā)的光子的再輻射。黃金納米盤的近場透射譜（即電漿光圈透射譜）是在此基礎(chǔ)上進行模擬的。圖4b顯示了結(jié)果。仿真再現(xiàn)了光譜峰的特征，比如峰波長、峰高以及與磁盤尺寸的合理準(zhǔn)確關(guān)系。該式證明了計算模型中假設(shè)的正確性。必須指出，金屬膜光圈也產(chǎn)生等離子體共振。用我們的黃金涂層近場探頭，在據(jù)孔徑大小和涂層厚度而定的600-650納米處可觀察到共振。如果光圈等離子體與磁盤表面等離子共振強烈相互作用，可能對透射光譜的增強產(chǎn)生一定的影響。但是，根據(jù)我們的實驗條件，我們發(fā)現(xiàn)以下提到的原因?qū)λ^察到的透射光譜只有輕微的影響。首先，我們用各種不同的表面離子體共振頻率近場探頭，研究了近場磁盤和其他納米結(jié)構(gòu)的傳輸特性。我們發(fā)現(xiàn)，一個給定的納米結(jié)構(gòu)的近場傳輸特性受近場探頭/涂層影響不大。第二，通過近場傳輸測量手段觀察到的納米材料等離子體共振波長，與光子真實密度的計算結(jié)果高度吻合。特別指出，在本研究中使用的近場探測光圈，光纖芯玻璃突出大約10-20納米，光圈和樣品表面之間的距離大約10納米。因此，在孔徑中，樣品和金屬涂層之間的距離超過20納米，這表明該探針與樣品之間等離子體的相互作用，可能只起次要的作用。從這些原因，我們認為，在我們的實驗條件下，增強傳輸?shù)墓馊舱瘢▓D4a）對光譜形狀的影響不太顯著。我們現(xiàn)在以上述分析結(jié)果為根據(jù)來討論近場傳輸?shù)墓庾V特征。由于方程3的第二項與近場計算公式相同，所以在圖1中，等離子體共振出現(xiàn)了與近場相同的波長。方程3的第三項顯示了一個等離子體共振峰附近的峰，但峰略偏向于向長波移動。由于方程式3中第二項和第三項的的不同光譜特征，表現(xiàn)出的模擬頻譜差分光譜形狀相對于等離子體共振峰而言，分別在短波最小、長波最大。應(yīng)該指出，在近場探頭孔徑附近，外來場將高度同化，從而由于發(fā)射光線的近場分量，磁盤光圈電場EO將非常大。這導(dǎo)致一個大的電漿電場ELSP的產(chǎn)生。由于光圈電場EO的近場分量正在向遠場減少，但在用光電探測檢測的遠場區(qū)，相對于光圈的遠場電場EOF，遠場電漿電場ELSPF的貢獻是相當(dāng)大。因此，為描述近場顯微鏡的測量，方程式3中第二項和第三項的貢獻必不可少。而遠場測量中，光圈電場EO的領(lǐng)域?qū)τ诩ぐl(fā)和檢測的貢獻一樣，因而近場測量相對于遠場測量形成鮮明的對比，這導(dǎo)致遠場電漿電場的平方ELSP2（對應(yīng)于方程式3第三項）沒有意義。一個差分光譜形狀也同樣在金屬薄片染色層上發(fā)現(xiàn)。在這些報告中，光譜形狀與量子論中離散型電子和連續(xù)型電子的交互作用（法諾共振）有關(guān)。形式上，我們進行了同樣的討論。在法諾共振中，離散和連續(xù)態(tài)分別對應(yīng)于光圈附近的磁盤等離子和光學(xué)近場。當(dāng)驅(qū)動頻率低于或高于其共振頻率時，等離子在入射場相應(yīng)地同向振蕩或異向振蕩。由于傳輸改變了電漿和入射場之間的相互作用（即離散和連續(xù)狀態(tài)），這表明頻率高于或低于等離子體頻率，傳輸強度相應(yīng)地增強或減弱。這種預(yù)測是與實驗結(jié)果一致。在這篇文章中我們使用近場光學(xué)顯微鏡和單打金制納米磁盤，研究了近感電漿子納米光圈的透射光譜。我們發(fā)現(xiàn)在特征的透射譜中，等離子體共振峰中波長較短的更短波長較長的更長。該增強的大小取決于磁盤的直徑，特別是在200納米，左右4.5nm區(qū)域內(nèi)強化差異尤為顯著。我們發(fā)現(xiàn)，特征光譜特征可以