复杂金属纳米结构中表面等离激元的新奇特性及其能量损耗研究

The ability of surface plasmon polaritons (SPPs) to circumvent the diffraction limit and achieve high localization of light could enable the miniaturized photonic devices and circuits in nanoscale region. This project will investigate the novel phenomenon，physical mechanisms of SPP in metallic nanowire based complex nanostructures, and their energy attenuation properties. The goal is to deeply understand the intrinsic principles of SPP and their energy attenuation process in these complex nanostructures. The coupling of SPP modes in adjacent nanowires and their influence on propagating modes will also be figured out. Furthermore, energy attenuation process and properties of SPP in complex nanostructures will be understood clearly. In addition, the relation between energy loss and size of nanostructures will be established. We will try to find new method to reduce energy loss. This project will provide valuable results for nanophotonic device design, and play an important role in achieving highly integrated nanophotonic chip and optoelectronic device, which will have great influence on national information industry.

表面等离激元在光学衍射极限下的长程传播特性，以及对光场的强束缚特性为纳米尺度内光子器件和回路的实现奠定了基础。本课题研究在金属纳米线构建的复杂结构中，表面等离激元的新现象和物理机理，及能量衰减特性，旨在深刻认识这类复杂结构中表面等离激元的产生、传导、衰减的过程和机制；弄清金属纳米线之间的耦合作用对表面等离激元模式和传导性质的影响；理解表面等离激元在金属纳米复杂结构中的能量衰减过程和机理；建立能量衰减与金属纳米结构的尺寸之间的关系式；探索减小表面等离激元在金属纳米结构中能量损耗的新方法。本研究对于纳米光子器件的设计和优化，纳米集成光学芯片、高度集成化纳米光电子器件的实现，以及我国信息产业的进一步发展意义重大。

表面等离激元可以实现突破光学衍射极限下的长程传播，这一特性使得新型光子器件的尺寸可以达到纳米量级，为光子器件的微型化、大规模集成化，以及光电子器件在纳米尺度上的完美结合提供了有利条件。本项目主要研究银纳米线构建的复杂结构中，表面等离激元传输的传输特性和新现象，不同纳米线之间表面等离激元模式的相互耦合作用对传输特性的影响，以及探索减小表面等离激元能量损耗的新途径。首先，我们在银纳米线结构中引入纳米立方体，使得原有的对称性破缺，可以实现将纳米线中的表面等离激元在该处以光子的形式散射出来，且散射光的强度正比于立方体所在处的场强，据此可以通过测量散射光强得到表面等离激元的传输特性。通过微操作技术，我们可以人为调控立方体的位置。发现当立方体的位置逐渐改变时，对应的散射光强度呈现出指数衰减与周期性震荡相叠加的变化规律。这个周期性震荡的出现很可能是由于银纳米线中同时激发了几种不同的模式的表面等离激元，这几种模式相干叠加而形成的一种周期性的场分布。在此研究基础上，我们通过微操作技术构建了“Y”型银纳米线结构，发现当改变入射激光位置时，“Y”型结构的节点处的散射光以及主线纳米线末端的散射光呈现出不同的变化规律，具体规律的形式与支线与主线之间是否存在间隙有关。该间隙对于主线与支线之间表面等离激元的耦合作用有着重要的影响。我们还研究了纳米线的直径对于表面等离激元传输能量损耗的影响，发现直径较大的纳米线对应的传输损耗较小：当纳米线直径从680nm增加到1200nm时，对应的传输损耗从0.94 dB/um减小到0.74 dB/um。此外，我们在制备金属纳米结构方面取得了一些创新：首次从实验上系统研究了溴离子的氧化刻蚀能力与浓度的关系，发现其氧化刻蚀能力随浓度的增加而增强，该结果有助于人们实现对最终产物形貌的有效调控。. 以上研究成果对于未来纳米光子器件的合理设计和实现提供了重要的实验依据和理论支持。银纳米立方体的引入可以使纳米线上散射光出现的位置具有灵活性和可调控性，在纳米光子集成回路中可以通过纳米颗粒来人为调控散射光信号的出射位置；同时，散射光信号的周期性变化，也可以起到类似于光开关的功能；“Y”型银纳米线结构中不同纳米线之间的耦合作用对表面等离激元模式和传输性质的影响，对于人们理解表面等离激元相互作用的内在机制，以及未来纳米光子器件结构的设计和优化有着重要的意义。