电浆子纳米光圈的特殊光透性.doc

电浆子纳米光圈的特殊光透性摘要：在本文中，我们研究纳米光圈在被不透明障碍物遮盖情况下的光透射异常现象。在传统的光学中，光传播路径被遮挡，光的透射减弱。但是，我们发现，当纳米圆盘的波长接近等离子体共振频率时，光透射增强。这种效应甚至出现在当圆盘比孔径大的情况下。关键词：电浆纳米结构，纳米圆盘，纳米光圈，扫描近场光学显微镜，增强透光该光学系统包括宏观组件（尺寸比光的波长较大），以及通过空间沿直线传播的光射线。当光学系统尺寸减小到一定程度，光线不能被视为严格沿直线传播的光，例如，在光的衍射中这种影响是很容易观察到的。但是，普遍认为，当光被一个可以吸收或反射光的障碍物遮挡时，光传播的强度会降低。那么，如果光系统进一步按比例减少尺寸到比波长更小时，会导致什么结果？在本文章中，我们提出一个现象，在由金属纳米结构组成的光学系统中，虽然有障碍物遮挡光路，但在传播过程中，光的强度实际上增加了。在我们的光学系统中，光将会通过在一个不透明的金属丝网圆孔传输。在宏观的系统，如果光圈是一个由直径大于孔径不透明障碍密切覆盖，没有光可以通过传播光圈（或者至少是强度会减少）。这种光学配置，其中光圈是被不透明的障碍所覆盖，此后均简称为“电浆光圈”。当系统中所涉及的部件的尺寸接近或更小于光的波长，一般系统并不会像预期的几何结构那样运转。该系统显示了独特的性能，特别是该当光学元件与在电磁场下的另一个光学元件相互影响下，性能更好。金属纳米结构的增强，从本地创建传导电子的集体振荡产生的光场（通常称为表面等离子体激元，或简称等离子体）。当电磁场频率接近等离子体共振频率时，组分材料之间通过电磁场的相互作用变得尤为显着的。因此，覆盖的金属纳米结构的光圈可能会出现特殊的光传播性能，这种特性传统光学中还不曾出现过。单亚波长光学孔径传播在过去的十年一直被人们实验着，并且由于在光圈等离子体激发而引起的光透射增强，已经报告过了。在本研究中，我们运用光阑光谱测量型近场光学显微镜，通过独特的黄金纳米盘平面，我们发现了纳米金属覆盖的小孔的独特光学性能。该近场显微镜的光阑探针基本上是一个在金属屏幕上打开的小光圈，前端是一个光圈，调整探针到靠近黄金纳米磁盘的上方位置。在此安排下，近场探针和纳米磁盘，分别向光圈和封盖的障碍对应。当亚波长接近黄金纳米磁盘等离子体共振波长时，我们发现这个系统的一个反常的光透射增强现象。观测到的异常现象的原因和对等离子体共振现象的影响将基于模型分析计算。金圆盘（50-200 nm和35 nm厚的直径）用电子束光刻技术（数密度磁盘：1微米- 2）制作成盖玻片。磁盘的几何尺寸的测量，采用地形学手段，使用了扫描近场光学显微镜（SNOM）或扫描电子显微镜（SEM）。光圈近场光学显微镜处于操作环境条件下。近场光学光纤探针需被蚀刻和涂镀黄金层（厚度：约300-400纳米），然后在尖端创建的一个孔径（从JASCO公司购买）。探头的孔径由100 nm处的扫描电镜图像确定认证。近场探头通过反馈机制，由样品表面附近的剪切力维持。对于传输测量，氙气放电灯被用作光源，样品被近场探头光圈照亮。光子通过样品传输，由一个物镜收集，并由一个多色- CCD系统检测。在扫描区域通过每个点测量传输强度，并且在样品盘中心测得的近场传输谱将作为测量透射光强度的比率I，在空白基板上得到IO.远场消光光谱通过测量金属纳米结构材料下的透射光强度而得到I，并在裸露的基板下得到IO，并绘制(IO-I)/IO与波长得关系图。对于远场测量点的尺寸只适用于几十微米。图1a显示了远场消光光谱观测的黄金圆盘。在波长度大于600纳米的区域可发现消光峰。峰值波长取决于磁盘的直径和转移具有更长的波长的趋势，并与在磁盘的直径呈线性增大关系。相对于磁盘直径的转变的方式类似于金纳米棒。伴随纵横比（=长度/直径）的增加，波长较长的棒转变将灭绝高峰。从理论上讲，高峰转变是密切相关的散射体，它是由纵横比决定去极化的因子。纵横比变高时，去极化因子将变小，共振波长将变长。对于圆盘，纵横比是磁盘的高比上磁盘直径。所观察到的峰移再次与去极化因子相关，伴随磁盘直径的增加，去极化因子将变小，导致峰值波长变长。图1a中的另一个突出特点是磁盘上有无峰高受磁盘直径影响强烈。依赖关系可能与磁盘的容量有关。据三重球形粒子散射理论预测，吸收和散射强度，分别与粒子的体积和粒子体积的平方成正比。如果我们近似处理一个金制圆盘为扁球体，磁盘的光学特性可据甘斯的理论进行模拟，该理论中将粒子的形状和等离子体共振的阻尼因子作为考虑的基础。磁盘的极化是由以下方程得到的（1）其中L是去极化因子，和m分别表示黄金的介电常数和周围介质的介电常数， k是入射光波失。变量V和D分别代表磁盘的体积和直径，方程1分母中第二项和第三项分别表示去极化的变化和体积的减幅。磁盘的消光光谱可由极化的虚部获得。图1b显示了磁盘的模拟光谱。峰值位置，峰宽，以及消光带相对峰强度也很好地通过半定量模拟再现。我们发现体积的减幅对所观察到的带宽至关重要的影响。共振峰属于等离子体的基本偶极模式，其基于外光谱以及模拟的等离子模式的分析。我们通过光从接近黄金纳米盘的近场探头孔径传播来进行研究。图2b显示了一个典型的通过单打金牌纳米磁盘（150 nm和35 nm的高直径）观察的近场透射谱。样品和探针安装示意图如图2a所示。由于探头的孔径比磁盘小，而且光圈和磁盘表面的距离足够小“（30纳米），系统可能会被视为一个上限光圈。图2b的垂直轴，I/IO,表示透光率，其中I和IO分别在近场探头测量下，通过磁盘中心和空白基板光的发射强度。如果样品（磁盘）不影响从孔径传播的光的效率，透光率等于一，如果样品为普通材料，透光率将小于一。我们发现在400到760 nm的光谱区域，透光率小于一，这与上述假设一致。与此相反，我们在较长的波长区域内发现异常行为。透光率大于一，这表明，在磁盘存在下透光强度增强。这种增强效果取决于波长，特别是 840 nm左右 2.7nm区段。应该指出的是，通过几何口径光学路径是完全由磁盘封锁如上所述，见图2a所示。同样值得注意的是，该磁盘比黄金（约12日波长为800纳米）的皮肤深度厚。因此，磁盘封锁光圈时，预计从几何因素分析，没有光传输。令人奇怪的是，在这样的情况下实际光圈传输增强了。当探针光圈从磁盘缩回，光增强消失，可观察到透射光强度降低。只有当光圈靠近磁盘时光增强现象可观察到。我们分析了光的异常增强的传输机制。我们发现，通过光的穿透探测器，光传播的特性可被观察到，可通过转载电磁场模型有限差分的时域（FDTD）法再现，如图3所示的计算定性。该盘厚度和直径分别设置为40和160纳米。通过计算，金属涂层的厚度为250 nm。通过光圈和磁盘（图3b）比无磁盘（图3a）时光传播强度强。计算计算过程中，增强了长波影响，减弱了短波影响，这也与上述实验结果一致。通过计算推测出，光圈和磁盘的间离是异常光传输的关键。传输只有当磁盘靠近光圈但不直接接触时，光传播加强（图3b）。计算显示当磁盘接触光圈时，透光强度将大大降低，如图3c所示。考虑到光圈是被金属完全密封的，当二者接触时光传输的减少是合理的。对于厚盘（厚度80纳米，直径160纳米），这些倾向也会发生。关于异常传播的的更多物理解释，是建立在传输特性上考虑磁盘大小的影响。图4a显示了近场对不同直径黄金纳米盘透射谱。伴随磁盘的直径增大，峰值波长向长波方向移动。在同一时间，光传输加强变得更明显。峰值波长依赖这些直径和高度都是类似于在图1中的磁盘观察到的法菲尔德透射光谱。这一结果表明，等离子体共振对观察到的近场传输异常行为起主要影响作用。探讨了光透射加强的原因，我们总结出光圈代光学近场的传递性和磁盘上的诱导的等离子体共振性质。在近场光纤探针光圈的光学近场是由光圈背面的闪耀灯（由光纤的另一端引进光子）创建的。关于光圈探测的入射光大部分在光圈处被反射回光源。只有一小部分光通过光圈传输。如果电浆对象是被放置在光圈附近，该对象将作为天线，用来从光圈背面提取会被反射回光源的光子。然后，等离子是激励的对象，激发等离子体发射远场光子。因此，在磁盘的存在下，透射光强度将加强。在前面讨论过的这个想法的基础上，我们以球状颗粒甘斯理论为基础，采用电磁模型进行计算，模拟了近场透射光谱。电场振幅通过光圈发射EO，取决于光圈的距离和方位（在本案中，我们并不需要考虑方位角，因为我们只讨论光轴上的行为）。探头孔径不仅提供本地化的近场光子而且传播远场的光子。在附近的光圈，EO包含近场和远场两部分，因而总电场非常高。伴随光圈距离的减少，近场分量越来小，到最哈只传播远场分量。在电浆光圈存在的情况下，磁盘位于附近的光圈，因此磁盘上的等离子体是由强电场激发的，主要由近场分量来提供。然后，从磁盘，由电浆电场ELSP诱导分化发出，其强度再次由磁盘与光圈的间距而定。在远离光圈和磁盘的位置检测到的信号场是EO和ELSP的总和。对于电浆光圈的透光率由下列方程确立(2)其中上标F表示场是在远场检测。在附近的光圈电场产品和磁盘的极化下，电浆电场ELSP由发射电场EO引起。光圈附近的电场EO载有近场部分的主要贡献。严格地说，极化所需的计算ELSP应该是近场散射NF，LSP。虽然据三重球形粒子散射理论分析，球形近场散射NF，LSP是一个简单形式，但是近场散射NF，LSP的计算不能视为简单的球体公式。在这里，我们假设近场极化约等于远场极化，这是基于扩展甘斯的球理论，由方程1得出的。然后，电浆电场ELSP通过LSPEO得到，其中EO代表光圈附近的电场。在远场区域所检测的信号，没有EO和ELSP的德近场分量，从而外光圈的远场电场EOF和远场电浆电场ELSPF之间的振幅平衡立即不同于光圈电场EO和电浆电场ELSP之间的振幅平衡。借此考虑到效果，我们介绍幅度的参数E LSP，作为一个合适的参数，并以式代入方程2中得到下列公式(3) 前两个项是与远场透射光谱公式相同的形式，第三项对应从磁盘的等离子体激发的光子的再辐射。黄金纳米盘的近场透射谱（即电浆光圈透射谱）是在此基础上进行模拟的。图4b显示了结果。仿真再现了光谱峰的特征，比如峰波长、峰高以及与磁盘尺寸的合理准确关系。该式证明了计算模型中假设的正确性。必须指出，金属膜光圈也产生等离子体共振。用我们的黄金涂层近场探头，在据孔径大小和涂层厚度而定的600-650纳米处可观察到共振。如果光圈等离子体与磁盘表面等离子共振强烈相互作用，可能对透射光谱的增强产生一定的影响。但是，根据我们的实验条件，我们发现以下提到的原因对所观察到的透射光谱只有轻微的影响。首先，我们用各种不同的表面离子体共振频率近场探头，研究了近场磁盘和其他纳米结构的传输特性。我们发现，一个给定的纳米结构的近场传输特性受近场探头/涂层影响不大。第二，通过近场传输测量手段观察到的纳米材料等离子体共振波长，与光子真实密度的计算结果高度吻合。特别指出，在本研究中使用的近场探测光圈，光纤芯玻璃突出大约10-20纳米，光圈和样品表面之间的距离大约10纳米。因此，在孔径中，样品和金属涂层之间的距离超过20纳米，这表明该探针与样品之间等离子体的相互作用，可能只起次要的作用。从这些原因，我们认为，在我们的实验条件下，增强传输的光圈共振（图4a）对光谱形状的影响不太显着。我们现在以上述分析结果为根据来讨论近场传输的光谱特征。由于方程3的第二项与近场计算公式相同，所以在图1中，等离子体共振出现了与近场相同的波长。方程3的第三项显示了一个等离子体共振峰附近的峰，但峰略偏向于向长波移动。由于方程式3中第二项和第三项的的不同光谱特征，表现出的模拟频谱差分光谱形状相对于等离子体共振峰而言，分别在短波最小、长波最大。应该指出，在近场探头孔径附近，外来场将高度同化，从而由于发射光线的近场分量，磁盘光圈电场EO将非常大。这导致一个大的电浆电场ELSP的产生。由于光圈电场EO的近场分量正在向远场减少，但在用光电探测检测的远场区，相对于光圈的远场电场EOF，远场电浆电场ELSPF的贡献是相当大。因此，为描述近场显微镜的测量，方程式3中第二项和第三项的贡献必不可少。而远场测量中，光圈电场EO的领域对于激发和检测的贡献一样，因而近场测量相对于远场测量形成鲜明的对比，这导致远场电浆电场的平方ELSP2（对应于方程式3第三项）没有意义。一个差分光谱形状也同样在金属薄片染色层上发现。在这些报告中，光谱形状与量子论中离散型电子和连续型电子的交互作用（法诺共振）有关。形式上，我们进行了同样的讨论。在法诺共振中，离散和连续态分别对应于光圈附近的磁盘等离子和光学近场。当驱动频率低于或高于其共振频率时，等离子在入射场相应地同向振荡或异向振荡。由于传输改变了电浆和入射场之间的相互作用（即离散和连续状态），这表明频率高于或低于等离子体频率，传输强度相应地增强或减弱。这种预测是与实验结果一致。在这篇文章中我们使用近场光学显微镜和单打金制纳米磁盘，研究了近感电浆子纳米光圈的透射光谱。我们发现在特征的透射谱中，等离子体共振峰中波长较短的更短波长较长的更长。该增强的大小取决于磁盘的直径，特别是在200纳米，左右4.5nm区域内强化差异尤为显著。我们发现，特征光谱特征可以