金属纳米结构避雷针效应与Fano共振及其表面增强拉曼散射应用研究

Local surface plasmon resonance supported by metal nanostructure is a hot research field. Lightning rod effect and Fano resonance are two topics in the field, which concern the local electric field enhancement and resonance linewidth decrease, respectively. The project proposed a new research idea with combining the lightning rod effect and Fano resonance: strengthen the lightning rod effect by increasing the size of metal nanostructure, while suppress the accompanied radiative decay taking advantage of the Fano resonance to improve the local electric field enhancement; decrease Fano linewidth simultaneously by the local electric field enhancement caused by lightning rod effect. Design and optimize metal nanostructures both possessing strong lightning rod effect and supporting Fano resonance, and explore the basic law and condition of surface plasmon resonance with high electric field enhancement, low radiation attenuation, and narrow resonance linewidth. Fabricate metal nanostructures by the electron beam lithography, and study the surface enhanced-Raman scattering with them as the substrates. The project will promote studies of electric field enhancement and resonance linewidth decrease of localized surface plasmon resonance into a new level, improve the Raman scattering detection sensitivity, and have important implications in many fields, such as nano-optical devices, biochemical sensing, and high-order harmonic generation.

金属纳米结构支持的局域表面等离激元共振是当前国际上热门研究领域，避雷针效应和Fano共振是该领域内的两大研究方向，分别关注于局域电场提高和共振线宽减小。本项目提出结合避雷针效应与Fano共振开展研究的新思路：通过增加尺寸增强避雷针效应，并利用Fano共振抑制与之相伴的辐射衰减而提高局域电场强度；同时利用避雷针效应导致的局域电场增强减小Fano线宽。从理论上设计并优化既具有强避雷针效应又支持Fano共振金属纳米结构，探索高电场增强、低辐射衰减、窄共振线宽的局域表面等离激元共振的基本规律和实现条件。利用电子束曝光，实现金属纳米结构的制备，并以其为基底开展表面增强拉曼散射应用研究。该项目的完成将促进局域表面等离激元电场增强和共振线宽减小的研究进入一个新的水平，提高表面增强拉曼散射的探测灵敏度，并将对纳米光学器件、生物化学传感、高次谐波产生等各个领域产生重要影响。

金属纳米结构支持的局域表面等离激元共振是当前国际上热门研究领域，如何有效减小等离激元共振线宽和提高局域电场增强是该研究领域的一个重要课题。本项目重点研究利用表面等离激元避雷针效应和Fano共振效应实现高电场增强和窄共振线宽的低损耗表面等离激元金属纳米结构。在项目执行过程中，设计了一系列既具有强避雷针效应又支持Fano共振的金属纳米结构，研究了此类结构中表面等离激元共振所满足的物理规律。发现利用避雷针效应提高谐振腔的储能水平，能有效减小Fano共振线宽，基于该方法设计的环盘系列金属纳米结构，线宽能达到0.012eV，同时对比率保持高达88%，是同类结构中线宽最窄，干涉深度最深的Fano线型。发现利用Fano共振抑制辐射损耗，通过减小结构尺寸降低吸收损耗，同时结合避雷针效应，能实现巨大的电场增强，基于该方法设计的金属纳米三球结构，局域电场增强能够达到372倍。将设计的金属纳米结构应用于等离激元标尺（Ruler）研究，灵敏度能够达到0.1纳米和1度的精度水平，比一般的等离激元Ruler灵敏度提高20到80倍。将设计的金属纳米结构应用于等离激元受激辐射（Spaser）研究，激射阈值能够达到0.02左右，比基于表面等离激元亮态的Spaser阈值能够降低90%，同时揭示了暗共振态能导致超低阈值Spaser的物理机理。实现了多极可调的窄线宽高对比率Fano线型，并将其应用于Spaser研究，实现泵浦光和激发光同时增强。该项目的研究成果对表面等离激元共振相关研究与应用领域有重要意义。