毕业设计（论文）-复合金属纳米结构中等离子的新进展.doc

复合金属纳米结构中等离子的新进展摘要：贵金属纳米结构由于它们集体电子振荡具有新颖的光学性质,称为表面等离子体 (SPs)。SPs的共振强烈依赖于材料,周围环境,以及纳米结构的几何形状。复合金属纳米结构由于自由度裁剪的电浆子属性更高级的应用程序无法通过简单的吸引了研究兴趣。在本文中,我们讨论几种典型的复合金属纳米结构类型的等离子属性,即电磁耦合纳米颗粒(NPs),NPs /金属膜层,NPs /纳米线(NWs),纳米线/纳米线,或电介质涂层和金属纳米结构负载。在（局部的表面等离子体起关键作用的纳米颗粒系统中主要讨论了电磁场增强和表面增强拉曼散射的应用。扩散表面等离子体激元、等离子路由器相关应用和使用纳米线网络的逻辑门也进行了综述。电介质基质和金属纳米结构的环境对等离子激元特性的影响也会被讨论。关键词：表面等离子体、复合金属纳米结构、表面增强拉曼散射、逻辑门New progress of plasmonics in complex metal nanostructuresAbstract:Noble metal nanostructures possess novel optical properties because of their collective electronic oscillations, known as surface plasmons (SPs). The resonance of SPs strongly depends on the material, surrounding environment, as well as the geometry of the nanostructures. Complex metal nanostructures have attracted research interest because of the degree of freedom in tailoring the plasmonic properties for more advanced applications that are unattainable by simple ones. In this review, we discuss the plasmonic properties of several typical types of complex metal nanostructures ,that is, electromagnetically coupled nanoparticles (NPs), NPs/metal films, NPs/nanowires (NWs), NWs/NWs, and metal nanostructures supported or coated by dielectrics. The electromagnetic field enhancement and surface-enhanced Raman scattering applications are mainly discussed in the NPs systems where localized SPs have a key role. Propagating surface plasmon polaritons and relevant applications in plasmonic routers and logic gates using NWs network are also reviewed. The effect of dielectricsubstrates and surroundings of metal nanostructures to the plasmonic properties is also discussed. Keywords：surface plasmons,complex metal nanostructures,SERS,plasmonic router1、介绍由于独特的光学性质,等离子在纳米技术领域成为最有趣和最活跃的研究领域之一。在金属纳米粒子(NPs)中，由于在所有三维中自由电子的集体振荡被限制束缚,导致驰名的局部表面等离子体。一阵的兴奋后,LSPs在NPs表面上产生大的电磁场增强,已广泛应用于表面增强光谱,光能,催化等。由于LSPs共振(LSPR)对介质环境非常敏感,导致一系列LSPR传感技术。在金属薄膜和纳米线(NWs)中,电子可以在一维或者二维中自由移动,从而扩散表面等离子体激元(SSPs)可以沿着金属/电介质界面激活和传播。SSPs的传播特点已经建立许多重要的应用包括等离子路由器,逻辑门和光学电路。然而单金属纳米结构的光学性质特性已经被广泛的研究可调，更可调的表面等离子体和更高级的应用可以通过讲单一物质组装成复合的纳米结构而实现。最简单的例子,当两金属纳米颗粒放置在靠近彼此的位置,得到在其中一纳米颗粒和另外一颗粒强烈耦合的等离子体模式，因此,新的杂化等离子体模式形成和额外的电磁场在间隙中增强。近场耦合的强度主要由间距,激发波长和偏振决定的。这里我们将讨论在几种典型类型的复合金属纳米结构中等离子体的最近进展,包括NPs聚合物,在金属薄膜中的NPs,耦合NPs /纳米线、纳米线/纳米线,金属纳米结构负载/或电介质层镀膜。在NPs、NPs/NWs以及NPs/金属薄膜之间的纳米间隙的电磁耦合和拉曼增强将被讨论。对于金属纳米线、传播SPPs的特点和应用如等离子路由器和逻辑门等将被叙述。由于介质基质和环境大大影响SPs的共振,我们还将讨论NPs或NWs负载和/或电介质层镀膜定义它作为一种特殊的金属电介质纳米结构。2、耦合金属NPs在NPs二聚体中电磁耦合效应取得了深入的研究。等离子体杂交理论是由Prodan等提供了一个直观的等离子体模型耦合的物理图像而发展的。如果入射电场平行于恒等NPs二聚体的轴,近场耦合远比在垂直极化下的强。间距是另一个决定耦合的重要参数。随着间距的缩短,纵向等离子体模型的能量降低和共振峰红移。红移的定量描述可以使用驰名的等离子体尺来测量。两个不同的NPs组成的二聚体,即异质二聚体,SP模型这两个阶段的粒子有相位差,和新颖的光学特性,如法诺共振产生。非球面NPs间的电磁场也依赖与两NPs之间的相对取向。在纳米间隙二聚体的电磁耦合导致巨大的电磁场增强。图1给出了通过514.5纳米激光在不同极化角激发出的90纳米、间距为5.5纳米的Ag 纳米粒子的近场图。可以看出,诱导电磁场集中在这间隙, 如果入射电场平行于二聚体轴，则震级是最强的 (图1(a)，如果极化正交则单个的纳米颗粒几乎完全相同。图1 两个Ag纳米粒子在不同偏振角下的近场图对于SERS应用，强烈束缚纳米间隙诱导电磁场是最高的系统。各种类型的纳米间隙为了SERS已经被发展出来,例如,在纳米孔或NPs数组,纳米孔 /纳米颗粒对,纳米立方体二聚体和纳米棒二聚体。事实上,在某种程度上纳米间隙效应影响引起了等离子体中的一系列的有趣的话题,不仅包括单分子SERS,还有等离子天线、等离子镊子,量子等离子和非线性等离子。如果粒子表面粗糙而非光滑纳米间隙二聚物在某些距离下场增强可以进一步改善。最近,梁等，报道从化学合成花状Ag 颗粒二聚体里SERS巨大增强。花状Ag 颗粒大约一微米直径,并且可以用传统光学显微镜下的显微探针方便地操纵。图2(b-i)显示了用显微操作的二聚体的一个典型的扫描电镜图像。相应的SERS图像如图2所示(b-ii)表明在激发极化平行二聚物轴(蓝色箭头) “热点”在间隙中形成。偏振依赖于SERS图像证明在间隙中的强电磁场也是粒子间耦合的一个结果。 图2 b-i二聚体的扫描电镜图像 b-ii相应的SERS图像3、耦合纳米颗粒/金属薄膜 和 纳米颗粒/纳米线3.1 在金属薄膜上的纳米颗粒 (NPOF)如果入射电场垂直于表面的组件衬底的表面偶极子诱导偶极子图像在衬底,并与它。一金属薄膜上的一金属纳米颗粒系统:对电磁图像的纳米颗粒对,在纳米颗粒上的LSP共振是变化的。金属薄膜的一个重要事实是,负载传播等离子体,也就是说,SPPs根据LSPs与SPPs的相对能量也改变了纳米颗粒等离子体共振。此外,相互反应主要取决于纳米颗粒和基质之间的距离（可以使用分子链接器、薄介质壳或原子层沉积电介质隔片控制） 。 纳米颗粒与粒子图像之间的电磁耦合实际上与两个真正的NPs之间的耦合相似，在纳米颗粒与薄膜之间间隙产生大的场增强。Mubeen等系统地研究了从一个厚膜超薄氧化物的一层厚的金薄膜分离出来的金纳米颗粒的光学响应。图3(a)-(c)高角环形暗场像-扫描透射电子显微镜(HAADF STEM)的临近金薄膜（从使用ALD技术存储的一薄的电介质隔片中分离的）的金纳米颗粒图像显示了原理图和分类排列。实验和模拟显示当入射角(图3(d)中定义)是60（不同于在NP二聚物的情况）时，SERS增强产生最大增强。这是因为在薄膜上一个给定的点的电磁场是入射电磁场和表面反射的电磁场的相干叠加。图3 a为HAADF STEM下临近金薄膜的金纳米颗粒图像；b和c分别为a相应的原理图和分类排列图；d和e实验和模拟显示不同入射角的SERS最大增强重要的是要注意,上述“图像粒子”图片只有薄膜的厚度又远远大于直径的NP和这薄膜可以作为一镜像才能持有。金属薄膜,纳米颗粒的LSPs和底层金属薄膜的非局域连续等离子体之间的相互反应是类似于局域化的电子状态和连续离域电子状态之间的相互反应,也就是说,一个金属的能带结构,可以使用无自旋Anderson-Fano模型的电磁场模拟描述 。这种类型的相互反应可能产生有趣的现象共振粒子薄膜的虚拟状态。3.2 纳米颗粒对/纳米线金属纳米线近年来吸引了研究重点。由于纳米线的一维几何结构,光可以被耦合,在亚波长尺度限制,沿着纳米线传播,并远程回送。在金属纳米线中的SPP特征已经被深入调查,包括多样表面等离子体模式的激发和传播、纳米线终端的发射方向、入射和反射极化之间的相互性、基质和在传播损失弯曲度的影响 。大量的应用也已实现,例如,在SERS的远程激发和荧光荧光反应、以纳米线为基底的等离子路由器、调节器、全光的布尔逻辑门。最近引用其他地方的一些评论。注意出于实际应用,化学合成金属纳米线通常是首选的,因为它们单晶属性因而的低传输损耗。对于光滑的金属纳米线,SPP可以通过结束时聚焦光而激发,或通过在全内反射下的隐失场激发,在远端发出。在中间部分,光不能直接耦合到金属纳米线中,反之亦然,耦合,因为在电介质中入射光子和在金属/电介质界面的SPPs之间的动量不匹配。但是,如果创建间断点,例如,一个金属纳米线移动到靠近一个纳米线,SPP通过散射可以有效地耦合。因此,在间隙纳米线和纳米颗粒之间的耦合可以生成一个热点,致使远程SERS。图4(a)和(b)显示了在一个玻璃结构上的一个Ag NW-NP结构的扫描电镜和光学图像。当激光聚焦在纳米线的左边终端,SPPs可以沿着纳米线传播,并从其他终端发出，如图4（c）所示。箭头表示激光的偏振方向。在纳米颗粒/纳米线连接处，SPPs发散耦合进纳米颗粒，导致一个激烈的电磁场（激发分子吸附在上的拉曼增强）。图4（d）-（h）表示了远程SERS图像和相应的光谱。图4 a和b显示了在一个玻璃结构上的一个Ag NW-NP结构的扫描电镜和光学图像；c中箭头表示激光的偏振方向图；d-h表示了远程SERS图像和相应的光谱.如果激光直接阐明了NP-NW结,NP和NW之间的电磁耦合 ,在某种程度上,类似于NP /金属薄膜结构。当激发极化正交纳米线,局域化纳米颗粒等离子体与连续纳米线等离子体强烈耦合,从而在链接结中显著增强的电磁场可以生成导致明显的拉曼增强,如图5所示(a)和(b)。电磁耦合的强度和拉曼增强显示对NPs的详细形状并不敏感,用等离子体杂交模型来解释。实验和仿真表明,当偏振平行于纳米线时增强最弱,因为在NP中的诱导电荷远比NW正交的。偏振依赖性的详细研究表明,SERS强度有一个对激光偏振的依赖cos2,这里的q是偏振方向和纳米线轴正交的夹角 (图5(c)。虽然拉曼增强因子与电场增强的第四权成正比,在NP /纳米线耦合结构中,只有激发场增强取决于入射偏振,和感应电磁场的方向总是通过链接结。因此,总SERS增强显示因为cos2依赖,而不是cos4（q）依赖。图5 （a）MGITC在两个不同的偏振角的NP /NW结构；(b)半径为50纳米的金球体与纳米线的近场分布图，其中间距为5.25 nm，入射偏振角垂直(i)和平行(ii)。(c)测量(正方体)和计算(线) SERS强度可作为偏振角q函数的定义(d)。(d)定义角度q和SEM图像线-粒系统，SEM图像的比例尺是200纳米。4 纳米线网络结构4.1 在纳米线分支上的SPP 路径纳米线分支可以使用显微精细操作获得,如图6所示。在终端1兴奋时,离子体发射可以沿着主线（可以耦合）和分支线传播。在受控方式通过在终端1修改输入偏振角可以在输出2或3路由到SPs发射。任一输出可以通过改变偏振选择性地路由到不同的激发波长(图6(b)和(c)。当633 nm和785 nm激光以40的偏振角同时聚焦于线端1, 633纳米里的光几乎完全路由到分支线(2)输出，而785纳米光主要是路由的主线(3)输出。图6 （a）显示了一个纳米线网络是由一个主线（最长的那条）和一个分支线组成,包括一个输入1和两个输出2和3。（b）和（c）分别表示了在633nm和785nm波长从纳米线端2(黑)和3(红色)作为入射激发偏振角与发射强度的函数关系。（d）显示在偏振角40时，两种波长在输出端2和3的激发强度对比。这可以用有限元法(FEM)模拟解释如图7所示。在最大和最小振幅SPP沿着纳米线传播。如果在振幅最大处纳米线分支连接主线,SPP耦合并沿着分支线传播,而不是主要的线。如果连接点在最小值处,分支线不起作用,SPP传播主要沿着主线传播是不受干扰。图7 FEM模拟SPP传播图4.2 在复合纳米线网络中的SPP 干涉SPP路由可用于等离子设备,例如,专门设计的复合纳米线网络的逻辑门。图8(a)给出的一个纳米线网络是由一个主线（最长的那条）和两个分支线组成,包括两个输入(I1和I2)和两个输出(O1、O2)。SPPs可以通过I1和I2在纳米线的主线和分线同时发射，在连接点相互干扰。干扰可以通过改变两入射光束之间的相位差调制。因此在任一输出O1、O2的辐射可以相应地被调整(图8(b)。对于某些相对阶段,SPP可以选择性地路由到输出O1或输出O2(图8(b)。量子点发射的机制可以显示直观的图像如图8所示(c)。量子点沿着纳米线发射基本上反映了近场分布。O2的输出通过在连线交叉点生的场强来控制。当在结点近场强弱时，能量传播到终端1。当在结点处近场强强时，大部分能量切换到分线上被引导到终端2图8（c-iii）。. 两入射偏振态由图8(a)红色箭头表示的, 从几个周期的相对相位(2p/周期)的两个输入得到的O1、O2的发射强度如图8所示(d),这表明, 在I1和I2产生的SPs的干扰几乎是理想的。这的干扰反应并不仅仅由控制激发偏振实现的。图8 （a）一个纳米线主线和两个纳米线分支的纳米结构。（b）和（c）分别为两光束干涉散射图像和量子点发射图像的一个周期。（d）在不同相位改变下的散射强度关系图。通过定义某些强度值作为阈值,输出强度的强弱可以指定为“打开(1)”和“关闭(或0)”状态,和纳米线结构可以实现一定的逻辑运算。例如,对于450原子单位的强度阈值,并考虑以O2作为输出,(I1 =打开,I2 =关闭)导致O2 =关闭,(I1 =关闭,I2 =打开)导致O2 =关闭,以及(I1 =打开,I2 =打开)输入导致O2 =打开,演示了与门的状态。通过考虑O1作为另一个输出,可以使用这个纳米线网络作为二进制一半加法器。基于SPs干涉原理,一套完整的等离子逻辑门和其他功能的设备可以通过设计不同NW网络来实现。5结论在复合金属纳米结构中，任单一组成和其他单一组成相互作用，例如：在单一纳米结构中的LSPs可以喝其他单一纳米结构中的LSPs或在纳米线或金属薄膜中SPPs耦合，导致在纳米间隙额外的电磁场增强。在不同的纳米线上SPPs可以互相产生干涉，使传播SPPs到所需的输出终端的可能选择路径。复合电磁场相互作用对于先进的应用在裁剪SPs产生更多的灵活性,如远程SERS传感和等离子逻辑门。电介质基底或表面涂层是另一个重要参数,它影响了SPs属性,包括LSPR和SPPs波长和传播长度。事实上,这种效应提供了另一种方法来为特定的应用剪裁SPs特点。一般来说,对于在复合金属纳米结构中SPs可靠的实际应用仍然存在许多问题需要解决。例如，胶体纳米结构之间的间隙距离的精确控制对于可再生的、高度稳定、敏感SERS基质仍在研究。为未来的纳米光子集成电路,每个必要的组件,如纳米级光源、等离子路由器和调制器,逻辑门,光电子/电转换器,目前是一个具有挑战性的任务,除了对于芯片上的设备的所有这些组件。然而,随着微加工技术的快速发展和对复合金属纳米结构等离子性质的进一步探究,可以预期未来的进步解决这些挑战。参考文献1 TIAN XiaoRui,TONGLianMing XU HongXing.New progress of plasmonics in complex metal nanostructures.Science China, 2013,12:2327-2336 2 Gramotnev D K, Bo