一种可实现三次Fano共振的MIM型纳米棒二聚体的制作方法
【专利摘要】一种可实现三次Fano共振的MIM型纳米棒二聚体，采用金属?绝缘体?金属(MIM)型纳米棒二聚体结构，分别通过不同平面内纳米棒LSPR模式的耦合激发磁表面等离激元(MSPs)，得到三次Fano共振；在xy平面上，两个尺寸完全相同的MIM型纳米棒边对边排列，两个金属层材质为金Au，厚度相等，两个金属层之间的介质层为二氧化硅SiO2。本发明的优点是：该MIM型纳米棒二聚体结构简单易于制备，可实现三次Fano共振，用于多波长光电子器件的设计与制备；当进行生化传感时，由于Fano共振的低损耗特性，加之利用多个具有不同灵敏度的波长共同传感，使得传感的灵敏度和精确度都能够得以提高。
【专利说明】
一种可实现三次Fano共振的MIM型纳米棒二聚体
技术领域
[0001 ]本发明涉及金属纳米结构的Fano共振，特别是一种可实现三次Fano共振的MIM型纳米棒二聚体。
【背景技术】
[0002]基于近年来微纳结构加工工艺的大步发展，纳米光电子技术使得光信号能够在纳米尺寸上进行处理及传输，从而成为研究的热点。金属纳米结构的局域表面等离激元共振(Localized Surface Plasmon Resonance,LSPR)效应使得激发光场在纳米结构周围局部增强，且对周围介质环境变化及其敏感，被广泛应用于生化传感器的研究与制备。
[0003]LSPR共振谱线辐射损耗相对较大，共振峰谱线宽，从而限制了其传感灵敏度。金属纳米结构LSPR共振模式的相互耦合，可以实现一种非对称的谱型，S卩Fano共振。Fano共振取决于LSPR明态与暗态模式之间的相消干涉，带宽窄，能够大大提高LSPR传感器的品质因数。基于LSPR效应的Fano共振可利用开口纳米环、纳米柱多聚体、纳米棒聚合体等实现，比如专利:一种基于金纳米棒二聚体阵列Fano共振特性的传感器(公开号:CN104061997A)。
[0004]而且，基于LSPR效应的多重Fano共振近年来也加以研究及实现。多重Fano共振可用于多波长传感，大大提高了器件的灵活性。目前多重Fano共振主要基于平面型非对称结构，比如在U型的金属纳米开口环中嵌入纳米棒，开口环与金属棒之间的不等间距可导致双Fano共振线型[J.Q.Wang，C.Z.Fan，J.N.He，et al.,Double Fano resonances due tointerplay of electric and magnetic plasmon modes in planar plasmonicstructure with high sensing sensitivity,Optics Express,2013,21(2),2236-2244.]。具有不等间隔的平面型纳米棒三聚体也可以得到双次Fano共振，比如专利对称型纳米棒三聚体的双Fano共振特性阵列及其传感应用(公开号:CN104634437A)。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是针对上述技术分析，提供一种可实现三次Fano共振的MM型纳米棒二聚体，该MM型纳米棒二聚体可实现三次Fano共振，可用于多波长传感，大大提高了器件的灵活性。
[0006]本发明的技术方案:
[0007]一种可实现三次Fano共振的M頂型纳米棒二聚体，采用金属-绝缘体-金属(MM)型纳米棒二聚体结构，分别通过不同平面内纳米棒LSPR模式的耦合激发磁表面等离激元(Megnetic surface plasmons,MSPs)，得到三次Fano共振;在xy平面上，两个尺寸完全相同的MIM型纳米棒边对边排列，两个纳米棒在y方向的间隔为G，G= 1nm，宽度均为W，W=40nm，在xz平面上X方向的长度为L，L= 140nm，z方向的厚度为T，T = 50nm，两个金属层材质为金Au，厚度相等，均为20nm，两个金属层之间的介质层为二氧化娃Si02，厚度为10nm。
[0008]本发明的工作机理:
[0009]入射光沿z轴垂直照射至二聚体上，电场方向分布平行于纳米棒的短轴(y方向:Ey )。当光垂直照射至二聚体时，每个MM型纳米棒内的两个金属层内的LSPR模式均会被直接激发，即为LSPR明模。在纳米棒间隔很小时，这些LSPR模式会发生近场耦合，分别为xy平面内的相邻M頂纳米棒的LSPR模式耦合，以及M頂纳米棒在xz平面上下两个金属层内的LSPR模式耦合。当发生耦合的相邻纳米棒内电场反向时，就会激发磁振荡产生无辐射损耗的MSPs，从而LSPR明模分别与三个MSPs的相消干涉会产生三个共振峰，即三次Fano共振。
[0010]本发明的有益效果是:
[0011]目前已报道的三次Fano共振，主要基于纳米颗粒的多聚体，比如非对称纳米开口环的七聚体，(S.D.Liu，Z.Yang，R.P.Liu，et al.,Multiple Fano resonances inplasmonic heptamer clusters composed of split nanorings,ACS Nano ,2012,6(7),6260-6271.)。相比较而言，本发明中所提出的结构更加简单易于制备;该MM型纳米棒二聚体可实现三次Fano共振，可用于多波长光电子器件的设计与制备。比如当进行生化传感时，由于Fano共振的低损耗特性，加之利用多个具有不同灵敏度的波长共同传感，使得传感的灵敏度和精确度都能够得以提高。
【附图说明】
[0012]图1为MIM型纳米棒二聚体结构示意图。
[0013]图2为xz平面内单个MIM型纳米棒结构示意图。
[0014]图3为MIM型纳米棒二聚体的消光谱。
【具体实施方式】
[0015]实施例:
[0016]一种可实现三次Fano共振的MM型纳米棒二聚体，如图1、2所示，采用金属-绝缘体-金属(MIM)型纳米棒二聚体结构，分别通过不同平面内纳米棒LSPR模式的耦合激发磁表面等离激元(Megnetic surface plasmons,MSPs)，得到三次Fano共振;在xy平面上，两个尺寸完全相同的MIM型纳米棒边对边排列，两个纳米棒在y方向的间隔为G，G= 1nm，宽度均为￥，￥=40]11]1，在12平面上1方向的长度为1^丄=140111]1，2方向的厚度为1'，1 = 50111]1，两个金属层材质为金Au，厚度相等，均为20nm，两个金属层之间的介质层为二氧化娃Si02，厚度为10nm。
[0017]入射光沿z轴垂直照射至二聚体上，电场方向分布平行于纳米棒的短轴(y方向:Ey) ο
[0018]图3为M頂型纳米棒二聚体的消光谱。图中显示:除了6 1nm处出现的一个带宽约为10nm的共振峰，另外在720nm、795nm和1050nm处出现了三个带宽在50nm以内的非对称型共振峰。
[0019]分别对这四个共振波长处的纳米结构周围电场、磁场分布情况进行分析。61nm处，电场集中在纳米棒的尖角处，电场方向大致平行于入射电场，且上下两金属层内电场同向，为入射光直接激发的LSPR明模。720nm处，电场集中在两个纳米棒Si02介质层处，电场方向平行于入射电场，但上下金属层内电场反向，这表明在MIM纳米棒内产生了xz平面的MSPS(3795nm处，电场集中在两个相邻的上层金属层的中点和顶点，且以中点为中心形成两个方向相反的环状电流，这表明此共振峰来源于上层金属棒xy平面的近场耦合。1050nm处与795nm处类似，只不过电场集中在两个相邻的下层金属层的中点和顶点，在下层金属棒内形成环状电流，这表明此共振峰来源于下层金属棒xy平面的近场耦合。另外，因为纳米结构玻璃基底的折射率要大于空气，所以，与上层金属棒耦合产生的Fano共振峰相比较，下层金属棒親合产生的Fano共振峰红移。
【主权项】
1.一种可实现三次Fano共振的MIM型纳米棒二聚体，其特征在于:采用金属-绝缘体-金属(MIM)型纳米棒二聚体结构，分别通过不同平面内纳米棒LSPR模式的耦合激发磁表面等离激元(Megnetic surface plasmons，MSPs)，得到三次Fano共振;在xy平面上，两个尺寸完全相同的MIM型纳米棒边对边排列，两个纳米棒在y方向的间隔为G，G=1nm,宽度均为W，W= 40nm，在Xz平面上X方向的长度为L，L=140nm，z方向的厚度为T，T = 50nm，两个金属层材质为金Au，厚度相等，均为20nm，两个金属层之间的介质层为二氧化娃Si02，厚度为10nm。
【文档编号】G01N21/552GK105973846SQ201610286564
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年5月3日
【发明人】刘菲, 薛力芳, 石艳梅
【申请人】天津理工大学