领结状金纳米二聚体耦合共振特性研究.pdf
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1、第 40 卷 第 4 期2023 年 7 月量 子 电 子 学 报CHINESE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICSVol.40 No.4Jul.2023领结状金纳米二聚体耦合共振特性研究领结状金纳米二聚体耦合共振特性研究曹冬梅 1*,李永放 2(1 延安大学物理与电子信息学院,陕西 延安 716000;2 陕西师范大学物理与信息技术学院,陕西 西安 710119)摘要:利用有限元法对领结状金纳米二聚体结构的表面等离激元共振特性进行了探究,研究发现在几何形状保持不变的条件下,二聚体共振波长位移与粒子间距呈e的负指数变化,并且指数衰减系数与粒子大小无关。进一步分析了纳米
2、结构附近电场分布,发现共振条件下单体结构的x 轴和y 轴电场分布都遵守e的负指数衰减规律,且场强与入射电磁波的偏振方向有关;而受二聚体间表面等离激元耦合因素的影响,二聚体之间的距离对场强的衰减速率有着巨大的影响。最后,对二聚体共振吸收强度进行了研究,发现吸收强度与二聚体距离之间的关系仍为e的负指数函数规律。本研究结果对微距传感、粒子捕获等具有重要的指导意义。关 键 词:光谱学;指数衰减;有限元法;二聚体;共振波长;电场分布中 图 分 类 号:O433.5 文献标识码:A 文章编号:1007-5461(2023)04-00606-08Investigation on localized surf
3、ace plasmon resonance in bowtie gold dimerCAO Dongmei 1*,LI Yongfang 2(1 School of Physics and Eletronic Information,Yanan University,Yanan 716000,China;2 School of Physics and Information Technology,Shaanxi Normal University,Xian 710119,China)AbstracAbstract t:The localized surface plasmon resonanc
4、e of bowtie gold dimer are numerically simulated by finite element method in this work.It is found that when the geometry remains unchanged,the resonant peak shifts of gold dimer decay exponentially with increasing particle spacing,and the decay length is size-independent as the shift and gap are sc
5、aled respectively by the peak wavelength and particle size.The electric field distribution of the nanostructures under the resonance condition is further analyzed.It is found that the electric field distribution along the x and y axes of the single obeys the law of negative exponential decay,and the
6、 intensity of the electric field is related to the polarization direction of the incident electromagnetic wave.While due to the coupling effect of surface plasmon between dimers,the gap between dimers has a great influence on the attenuation rate of the electric field.Finally,the resonance absorptio
7、n inensity of dimers is also studied,and it is found that the relationship between the DODOI I:10.3969/j.issn.1007-5461.2023.04.020作者简介:曹冬梅(1974-),女,陕西佳县人,硕士,副教授,主要从事微纳光谱分析方面的研究。E-mail:收稿日期:2021-10-11;修改日期:2022-01-24*通信作者。第 4 期曹冬梅等:领结状金纳米二聚体耦合共振特性研究absorption inensity and the gap of dimer is still a
8、 negative exponential function.The results of this paper have important guiding significance for micro sensing,particle capture,and so on.K Keyey wordswords:spectroscopy;exponential decay;finite element method;dimer;resonant wavelength;electric field distribution0 引 言贵金属表面等离激元具有许多优异的光学特性和重要的应用价值,比如等
9、离激元诱导透明1,2、等离激元Fano共振35、表面增强拉曼散射6,7、距离和折射率传感等8,9。由于局域表面等离激元共振特性与贵金属纳米粒子的几何形状、大小、材料以及外界环境折射率有密切关系,为了获得可调谐的共振特征谱,研究人员从理论和实验上设计了各种形状的纳米结构1013。二聚体是较为简单的聚合体,大量文献对二聚体耦合共振特性进行了研究1319,其中不乏对耦合共振波长与二聚体间距关系的讨论。有研究表明,二聚体的耦合共振波长与其形状有关13,同时与二聚体间距离有关。Su等14通过对金纳米椭圆盘二聚体耦合共振进行模拟计算,得出共振波长可以近似为粒子间距离的指数衰减函数。但是考虑双偶极近似情况下
10、,通过对球形纳米粒子二聚体共振波长的理论计算推出了不同的结论,即二聚体耦合共振波长与几何因子a/d(粒子直径/距离)的关系可以由三次方函数表示17。同时,在激发光场作用下,二聚体耦合共振时会产生热斑现象,但有关热斑问题的讨论较为粗略13,20,关于吸收问题的研究则较为少见。为了对二聚体耦合共振特性进行系统研究,本文选择领结状金纳米二聚体微元,利用有限元法,通过计算热损的方式对其表面等离激元共振波长、电场和电荷分布,以及吸收强度进行了探讨。在结构保持不变的条件下,分析了二聚体共振波长与尺寸变化的关系,以及偶极共振波长随二者间距的变化;其次,讨论了共振吸收条件下电场强度分布与入射光偏振方向和二聚体
11、间距因子的关系;最后,模拟了金纳米二聚体微元的吸收强度随二者间距的变化。1 单个三棱柱的偶极共振为了加深理解二聚体等离激元共振特性,首先对单体的局域表面等离激元进行数值模拟。如图1(a)所示的微纳结构,其单体为金纳米三棱柱,厚度为h,底面边长为 l,A点和B点分别是棱的中点,坐标平面xoy平行于底面,位于三棱柱中部。光沿着z 轴入射,沿x方向偏振,选择不同 l 与h 时模拟的单体吸收谱线如图1(b)所示。在模拟计算时对尖角部分进行了圆角化处理,外侧设计了完美匹配层以对杂散光进行吸收,金材料折射率参数选自文献 21。由图1(b)可见,l 从40 nm增加到80 nm时,共振吸收峰红移,并伴随着谱
12、峰增高,线宽变窄;h从15 nm增加到30 nm时,对应的共振波长蓝移,谱峰降低,谱线增宽。插图中显示了 l=80 nm、h=15 nm的单体共振时的电场辐射和电荷分布情况,它代表等离激元在稳定振荡情况下某一时刻的电场辐射和电荷分布,表明金纳米单体呈现偶极辐射特征,类似于一个偶极天线。二聚体偶极共振波长红移 两个完全相同的金纳米棱柱顶角相对放置构成了领结状二聚体,二聚体之间的距离为d,如图1(a)。光沿着z 轴入射,并沿x方向偏振,取 l=80 nm、h=15 nm,对其共振特性进行数值模拟,图2(a)显示了二聚体607量 子 电 子 学 报40 卷耦合共振波长与间距d 密切相关。保持单体尺寸
13、不变的条件下,d=160 nm时,领结状二聚体共振波长与单体共振波长相同,均为630 nm,说明二者等离激元之间的耦合较弱;d=80 nm时,共振波长出现了红移,等离激元之间的耦合不能再忽略;进一步减小d,共振波长却非线性红移,特别是d=10 nm时,红移较为显著,说明二聚体表面等离激元之间发生了强烈的耦合22。整个过程中,二聚体为绑定的偶极共振,见图2(b)中电场辐射和电荷分布数值仿真结果。同时,二聚体沿x方向的尖端出现了显著的电荷聚集现象,较为强烈的热斑出现在尖端周围13。进一步对二聚体偶极共振波长红移与间距d 之间的关系进行探讨,如图2(c)所示,曲线拟合表明共振波长与二聚体间距之间的非
14、线性关系按照e的负指数规律衰减。图1(a)金纳米结构;(b)单个纳米棱镜吸收谱Fig.1(a)Gold nanostructures;(b)Absorption spectra of a single nanoprism保持二聚体几何形状不变,厚度不变,改变单体棱长l=40 nm,再一次对领结状二聚体共振特性进行数值模拟。结果表明二聚体耦合共振波长与d 之间也呈现出e的负指数衰减规律,但与 l=80 nm的二聚体比较,衰减系数不同。为了消除单体尺寸大小对衰减系数的影响,采用数学上的归一化方法,分别以单体的共振波长和有效大小为参考值,将不同间距情形下二聚体共振波长红移量与间距进行归一化,本研究中
15、单体有效大小是指三棱柱底面上的高,归一化后的共振波长红移量随间距的衰减在不同棱长情况下拟合为一条曲线,如图 2(d)所示,表明归一化后的衰减系数与棱长大小无关。另外,由图 2(d)可见二聚体间距大于单体棱长(d l)时,共振波长红移几乎可以忽略,与Su等14对椭圆盘二聚体推出的结论有所不同,进一步验证了衰减长度与纳米粒子的几何形状有关。3 领结状金纳米结构附近电场分布3.1 单体附近电场分布 为了探讨二聚体结构附近的电场分布,首先对单体附近电场分布进行数值模拟,取 l=80 nm,h=15 nm,入射光沿 x 方向偏振,在共振吸收条件下,x和y 轴的电场分布与距离呈现e的负指数函数关系,且x
16、轴的场强大于y 轴场强,如图3(a)所示,x 轴的坐标原点平移至A点,y 轴的坐标原点平移至B点,设A点的x 坐标为x0,B点的y 坐标为y0。图3(a)中的小插图为共振吸收时某一时刻的电场分布,由图可见此时x 轴有较强的热斑分布。入射光沿y 方向偏振时,x 和y 轴的电场分布如图3(b)所示。结果与场沿x 方向偏振时类似,x和y轴的电场分布与距离仍呈现e的负指数函数关系,但此时y 轴场强比x 轴场强大。图3(b)中的小插图显示此时y 轴热斑分布较x 轴显著。总之,单体沿x 和y 轴场强的大小与入射光的偏振方向有关。608第 4 期曹冬梅等:领结状金纳米二聚体耦合共振特性研究图2(a)不同间距
17、的二聚体吸收谱;(b)共振条件下电荷和电场分布,d=60 nm;(c)共振波长随距离的变化;(d)归一化后的共振波长位移随间距的变化Fig.2(a)Absorption spectra of dimer with different gaps;(b)Charge distribution(top row)and electric field distribution(bottom row)in resonance condition,d=60 nm;(c)The resonant wavelength versus the gap of two nanoprisms;(d)Normalized
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