金属-增益介质微纳复合结构表面等离子体激元Fano共振调制及机理研究

As an important part of the plasmon line shaping, surface palsmon polaritons Fano resonance has a widely potential application in nanoscale field. We will investigate the modulation and mechanism of the Fano resonance systematically and profoundly of the metal-gian medium composite nano-structures by using numerical simulating and analytical and derivation methods, aiming at the existent problems such as weak modulation depth of the Fano line shap, ohmic loss of the metal and so on. Our research contains: i) Study the surface plasmon polaritons Fano resonance of the plasmonic structure, explore new method of enlarge its modulation depth without increasing the geometric complexity, and clarify the physical mechanisms from the microscopic view. ii) Probe new way of improving the quality factor, resoannce energy and sensitivity of Fano resonance in order to realize a better control of the Fano resoancne line shape according to the compensition of the gain medium to the metal ohmic loss. iii) Discuss the modulation and mechanism of the nonlinear Fano resonance of the metal-gain medium composite nano-structure. The results of this project can provide scientific bases for a new generation dynamic controlled hypersensitized surface plasmon resonance sensor and novel performance surface enhanced raman spectroscopy sensor.

表面等离子体激元Fano共振效应是等离子体线形调控中一个重要研究内容，在纳米科学领域具有广阔的应用前景。本项目拟针对Fano共振效应研究中存在的调制度低、金属吸收损耗等问题，以金属-增益介质微纳复合结构为研究对象，采用数值模拟和解析推导相结合的方法，深入系统的研究Fano共振效应的调制和机理。研究内容为：1）研究等离子体结构的表面等离子体激元Fano共振效应，在不增加结构复杂度的情况下，寻求提高Fano共振调制度的新方法，并从微观角度揭示其内在物理机制。2）根据增益介质对金属吸收损耗的补偿作用，探讨提高Fano共振品质因子、共振能量及传感灵敏度的新途径，从而实现Fano共振线形更好的人工调制。3）讨论金属-增益介质微纳复合结构非线性Fano共振效应的调制和机理。项目的成果可以为新一代动态可控超高灵敏度表面等离子体共振传感器和高特异性能的表面增强光谱传感器等提供理论依据。

表面等离子体激元Fano共振效应是等离子体线形调控中一个重要研究内容，在纳米科学领域具有广阔的应用前景。本项目针对Fano共振效应研究中存在的调制度低、金属吸收损耗等问题，以金属-增益介质微纳复合结构为研究对象，采用数值模拟（FDTD）和解析推导相结合的方法，深入系统的研究Fano共振效应的调制和机理。研究内容为：1）阐述了Z字形通道中附有金属条的纳米结构的透射谱，发现结构为同种金属材料时，透射谱与同中心波长的直通道结构相同，结构为不同种金属材料时，两种模式的共振峰相对于直通道结构均有变化。2）讨论了金属-电介质复合结构、对称破缺纳米线阵列以及非对称纳米线二聚物的Fano共振和多重Fano共振现象，全面分析了结构参数对透射谱线形的调控作用，并揭示了其内在物理机制。3）分析了增益辅助对称破缺金纳米圆盘的Fano共振现象，研究表明增益介质能够补偿金属材料的吸收损耗作用，从而增强Fano共振效应，且能使结构在更小尺寸下也能出现Fano共振现象，此外，还能在不增加金属结构复杂度的情况下引入了更多的线形调制度。4）探讨了石墨烯双层纳米结构的等离子体诱导透明现象。相比于金属，石墨烯材料更薄且没有欧姆损耗，其线形可以由结构因子调控也可以从材料的内在物理参数调控，具有更多的调制度。项目的成果可以为新一代动态可控超高灵敏度表面等离子体共振传感器和高特异性能的表面增强光谱传感器等提供理论依据。