对称性破缺的双层金属光栅中模式耦合机制及其应用研究

Isolated and continuous metallic nanostructures can localize, guide, modulate and amplify light in a nanoscale spatial region by the excitation of surface plasmons (SPs). These striking features result in a wide range of applications in integrated optics and biosensing. In this proposal, we will focus on the novel optical properties and underlying physics of the dislocated double-layered metal gratings (DDMGs) in non-near-field interaction limit. For example, the role of symmetry breaking in mode coupling of DDMG and the plasmonic analogue of spin waves in antiferromagnets will be explored in depth. In the far-field coupling regime, a mode coupling theory based on the quasi-electrostatic approximation only gives a very limited description of this plasmonic system. Therefore, studying the physics of plasmonic system in non-near-field regime will contribute a more comprehensive understanding to the mode coupling mechanisms in this plasmonic system. Meanwhile, we will develop a cost-effective and high-throughput nanofabrication method to prepare the DDMG samples and experimentally demonstrate the optical properties of DDMG. Base on the above research, we will further design the DDMG-based refractive index/biomedical sensors and SPP unidirectional coupler/splitter, as well as experimentally demonstrate their performance in practical applications.

连续或分立的贵金属纳米结构体系可以产生表面等离子体谐振，在纳米尺度下对光进行局域、传导、调制和增强。此特性被广泛应用于集成光子学器件以及生物探测器上，是近年来国际上迅猛发展的热点研究领域。本申请项目中，我们将以错位双层金属光栅作为模型结构来研究非近场框架下金属纳米结构体系中的新颖光学现象和蕴含的物理原理，例如对称性破缺对双层金属光栅中模式耦合的调控机制，以及表面等离子体激元单向耦合效应的反铁磁体自旋波类比等。在非近场框架下，基于准静态近似的模式耦合理论不再适用，因此探索金属纳米结构体系在非近场框架下的新的模式耦合机制具有科学意义。另一方面，我们将发展一套简单、高效的微纳制备工艺，在实验上验证错位双层金属光栅的光学特性。同时进一步探索错位双层金属光栅的相关应用原理，在实验上演示错位双层金属光栅在折射率传感、生物医学传感以及表面等离子体激元单向耦合器和分束器上的应用，实现其应用价值。

表面等离激元微纳结构可以在亚波长尺度上对光进行局域、传导和调制，不仅在物理上展现出很多自然界不存在的奇异光电特性，而且在器件应用上表现出传统器件所无法比拟的优越性，因此当前光子学、光电子学、生物医学、能源等领域发展中的作用越来越显著。本项目以错位双层金属光栅作为模型结构来研究非近场框架下金属纳米结构体系中的新颖光学现象和蕴含的物理原理，并将金属光栅结构应用在表面等离激元单项耦合和分束器件、生物分子检测、氢气传感器以及表面等离激元动态上。. 在项目的实施期内，我们取得的主要成果如下：. 1）理论上提出干涉模型，并在实验上验证了一种可调控的双向/三向表面等离激元分束器。结合偏振动态调控技术，该分束器有望作为光路由或光开关应用到集成光路中（Nanoscale, 2016, 8, 15505–15513）。. 2）发展了一种兼具高灵敏和均匀性的表面增强拉曼技术。利用光栅的传播模效应来增强金属纳米颗粒的拉曼信号，设计的光栅耦合金纳米草结构拉曼活性衬底比平面上的金纳米草结构的拉曼信号增强了10倍。在提高高灵敏的同时还可以达到低至10%左右的拉曼信号标准偏差。演示了这种新型拉曼衬底在DNA碱基、孔雀石绿的拉曼检测性能，分别达到10-8mol/L和10-10mol/L。说明该种拉曼衬底有望应用到实际的生物分子、食品安全和环境检测中（Nanoscale Horizons, 2016, 1, 290-297）。. 3）发展了一种基于柔性钯纳米槽阵列的表面等离激元氢气传感器。柔性衬底使得氢化过程钯纳米凹槽发生几何重构，把表面等离激元谐振波长的移动放大了两倍，氢气体积分数的检测极限可低至0.1%；同时柔性衬底和钯纳米凹槽之间的“软接触”界面，减少了钯膜和衬底之间的界面应力，大大增强了氢气传感的重复性和使用寿命，使得该传感器应用到实际的氢气传感成为可能（ACS Photonics, 2018, 5, 1334–1342）。该成果发表申请了PCT专利。. 4）发展了一种利用机械拉伸来调控金纳米盘间隙的方法。金纳米盘的间隙可以实现140 nm至10 nm的调控，这为研究拉曼增强、单光子发射器以及电子隧穿效应提供了一个很好的平台（Nanotechnology, 2017, 28, 075301）。