基于表面等离激元电/磁模式的多重Fano共振研究及其在传感器的应用

Among the numerous novel plasmonic phenomenons, the plasmonic Fano resonances have asymmetric sharp resonance spectra lineshape and depend sensitively on the environment medium, which reveal potential applications in the optical device, SERS, and bio-sensing. However, the mechanism of the Fano resonances still has many aspects need to be completed. And in the aspect of sensor application, the field enhancement and the quality factor of the Fano resonance should be further improved. Based on such requirements, we plane to investigate the multiple electric/magnetic mode based Fano resonances in symmetry-breaking metal and metal/semiconductor nanostructures. The mechanism study of the multiple Fano resonances should complete the theory model of the plasmonic Fano resonances. And we will investigate the advantages of the E/M mode based Fano resonance applied in multi-wavelength optical device. Moreover, the gain material will be introduced in the semiconductor element, which would compensate the damping loss of the resonances. We expect to achieve Fano resonance based sensors with low loss and high sensitivity.

在众多新颖的表面等离激元现象中，表面等离激元Fano共振凭借其尖锐的非对称光谱线型和对环境介质的高度敏感特性，在光学元件、SERS和生物化学传感器等方面的应用颇具优势。目前，Fano共振的机理研究尚未完善；同时在应用方面，Fano共振在提高Fano共振局域增强因子、品质因素等方面仍有较大的提升空间。本项目拟研究对称破缺金属纳米结构和金属/半导体复合纳米结构中的表面等离激元电/磁共振模式混合的多重Fano共振现象的激发条件和物理机制。探索多重Fano共振结构在多频光学器件的应用优势，为Fano共振的传感器应用提供理论基础和原型。并利用半导体增益材料补偿Fano共振的损耗，提高局域电场增强因子和共振峰品质因素，积极探索多重Fano共振结构在实现低损耗、高灵敏度生物、化学传感器的可能性。

在众多新颖的表面等离激元现象中，表面等离激元Fano共振凭借其尖锐的非对称光谱线型和对环境介质的高度敏感特性，在光学元件、SERS和生物化学传感器等方面的应用颇具优势。目前，Fano共振的机理研究尚未完善；同时在应用方面，Fano共振在提高Fano共振局域增强因子、品质因素等方面仍有较大的提升空间。申请人系统地研究了方形/劈裂环结构中的电-磁混合Fano共振的物理机制,揭示了方形/劈裂环结构中产生电/磁模式的多重Fano共振的激发条件和耦合机制，及金属纳米结构尺寸、环境介质等参数对Fano共振峰的调制深度，在理论上计算了该Fano共振峰的传感特性。在此基础上进一步研究了金方块-介质-金方块三层纳米结构中SPPs共振效应以及表面等离激元共振模式的杂化耦合的机理，并研究了该结构的宽带波陷滤波特性。在阐明机理的同时，我们开展了实验探索，利用电子束刻蚀加工工艺制备了相应纳米结构，并开展形貌表征和光学特性测量。为了探索高Q值的fano共振传感器应用，研究了基于bloch波的表面等离激元Fano共振的物理机制和光学特性。研究表明，在周期性三角形纳米结构中，基于bloch波的表面等离激元Fano共振峰具有高Q值和对环境介质的高敏感特性，为介质传感器的应用提供原型。本项目开展了金属及金属/介质纳米结构的不同类型的Fano共振现象研究，为Fano共振的理论机制和相关传感器件的应用均提供了有价值的结果。