介质膜支撑金属周期纳米结构的增强透射与完美光吸收

Research on physical mechanisms, properties and applications of Extraordinary Optical Transmission (EOT) in periodic metallic nanostructures is one of the important directions in nano-optics. Dielectric-film supporting metallic gratings or metallic hole arrays, as one kind of the EOT structures, haven't been systematically studied yet. Our preliminary study shows that EOT and Perfect Optical Absorption (POA) can coexist in such structures. This proposal will devote to theoretical and experimental studies on POA mode. By developing Coupled-wave method within fundamental waveguiding mode approximation, we will study the resonance mechanism of POA, reveal the connection and difference between EOT and POA. Then we will study the dependence of POA properties (resonance wavelength, quality factor, localized EM field enhancement) on geometric parameters. Finally the studies for applications in filtering and surface-enhanced Raman scattering (SERS) will be conducted. The performance of devices (e.g. filter bandwidth,average enhancement factor) based on POA is expected to be one order higher than those based on EOT, due to high quality factor and large localized EM field enhancement of POA.

金属周期纳米结构的增强透射的物理机制、特性与应用研究是纳米光学的重要方向之一。介质膜支持的金属光栅或孔洞阵列结构作为增强透射结构的一种，尚未被系统的研究。我们的预研显示，在介质膜支撑的金属周期纳米结构中同时具有完美光吸收和增强透射两种模式。本项目重点围绕完美光吸收模式展开理论和实验研究。通过发展基于单模近似的耦合波分析方法，研究完美吸收模式的共振机制，回答完美光吸收同增强透射模式的区别与联系；研究其物理特性（共振波长、品质因子、局域电磁场增强等）随结构的演化规律；最后进行滤波/表面增强拉曼散射衬底方面的应用研究。基于完美光吸收模式的高品质因子和高局域场增强，其器件性能（滤波带宽、平均增强因子）预期将比基于增强透射的器件高一个量级。

基于金属周期纳米结构的光学超材料的特性、机制与应用是纳米光学的重要方向之一。介质膜支撑的金属纳米结构作为光学超材料的一种，其奇特的增强光吸收机制和应用研究尚未充分进行。本项目围绕介质膜支撑金属周期纳米结构的完美光吸收机制与应用中的关键科学问题，从原理、增强拉曼光谱、红外探测、可见光探测四个方面进行了研究。工作一为完美光吸收机理研究，我们发展了耦合模解析分析方法，揭示了完美光吸收的共振模式与机制，给出了完美吸收波长与结构的依赖公式，研究了其超窄带强吸收特性和局域电磁场增强特性，为实验工作提供了理论依据。工作二为基于双层光栅结构的空腔共振模式的适用于液相环境的拉曼增强衬底研究，我们设计和制备了双层金光栅结构，并利用双拉曼探针分子表征和验证了其空腔共振模式的近场电磁场增强热点位置与“非表面”的增强拉曼散射性能，展示了空腔共振模式在液相条件下对分子的有效拉曼信号增强，可望与微流技术结合用于生物医学中对特定生物分子进行识别。工作三为窄带中长波红外探测器。我们在硅/二氧化硅/硅的SOI基片上制备金光栅结构，从吸收谱测量上观测到金光栅结构对硅纳米层的窄带增强吸收效应，验证了工作一的理论设想。本工作的意义在于在增强光吸收结构设计上摆脱了过去金属/介质/金属（MIM）超材料结构对底层金属的要求，且光吸收主要分布在介质层，可望用于中长波红外的选频红外探测，具有重要的应用前景。我们也发展了基于纳米压印-微电镀-体硅腐蚀的制备纳米光学器件的成熟加工工艺。工作四为基于金光栅调制的硅薄膜光致热电探测器。我们提出将硅纳米薄膜热点探测结构与金纳米光栅相组合，利用纳米薄膜硅的声子散射受限来提高硅的塞贝克系数，利用金/硅接触来调制硅的塞贝克系数极性，并结合金纳米光栅对硅薄膜层的增强光吸收，实现了具有较高探测效率，波长敏感的硅薄膜光致热电探测器，响应速度比热电探测提高一个量级。