纳米光天线宽频带特性研究.pdf

1 第一章绪论1.1 研究背景和意义天线的概念于 1476年由 Aristotle 翻译介绍自赫兹和马可发明天线之后，天线就成为无线信息传输技的重要元素之一在射频领域，天线是将电流和磁流转换成无线电波的设备，反之亦然，将无线电波转换成电流通常，这个定义比较容易理解天线发射和接收电磁波发射天线的定义意味着它有较高的辐射效率，然而接收天线必须对无线电磁波有足够的敏感性1895 年，Guglielmo Marconi 介绍了天线收音机在日常生活中，天线已有大量广泛应用，例如无线、电视广播、导航系统、等等在射频和微波领域，天线是控制无线通讯的关键技术目前通信系统需要新型的工作频率范围在微波或者甚高频的天线超高频与和超短波天线同样适用于航天器通信，包括人造卫星超高频和超短波天线不仅用于通讯，还可可以用于地球表面的卫星监测并且这些天线还有其它方面非传统的应用，例如：作为环境传感器元素超高频天线被成功用于乳腺肿瘤的早期诊断和过高热的疗法需要注意的是超高频天线和超短波天线是雷达和电波望远镜的重要组成部分所有的这些应用需要经典天线的进一步改进考虑到科学的一个新分支——纳米光学的出现，天线的定义应该扩展，纳米光学是研究亚微米甚至纳米尺度的物体对光信号的传输和接收特性。

纳米光学提出一个关于纳米原件之间信息传输的效率和方向性问题相对于较小的组成，甚至单个分子和分子族，纳米光学中的辐射源本身就是纳米器件纳米作为纳米天线的纳米量级对象必须具有辐射效率和方向的特性在天线辐射或者感应电流概念有点不完备的情况下，如何定义这一背景下的天线是一个问题纳米天线的术语也开始在研究文献中出现接收纳米天线是将入射光转化成有限区域内的场的设备相反地，发射天线是将光频域中一个特定的源产生的有限区域的局域场转化为光辐射随着科技的进步与发展，对数据传输和处理性能的要求也不断提高过去的2 半个多世纪以来，电子器件的处理速度更快、体积更小、处理能力更有效然而等比缩小电子器件的尺寸具有极大的挑战性影响处理器速度提高的关键问题是电子互连有关的热和信号迟滞，而光互连的数据承载能力巨大如果在分布式系统架构的芯片中使用光互连，则可以为上述问题提供解决方案然而由于介质光学器件受到衍射极限限制，其尺寸被限制在大约半个光波长而纳米级的电子器件比介质型的光学器件小一个或者两个数量级光器件的小型化和器件之间的匹配成为该领域的研究热点所以如何获得超衍射极限的各种光学器件是实现纳米光学集成的基础1985 年，Wessel教授发现金属小颗粒有接收和发射电磁波的性质，该现象类似于传统的天线，基于此最早提出光天线的概念。

Grober[1]于 1997年提出了光天线的概念，并且构想平面蝴蝶结型天线作为近场探针1998年，Ebbesen的亚波长金属小孔阵列结构异常透过的实验结果[2]发表之后，纳米结构的电磁特性研究迅速展开2003年，K.B. Crozier 小组制作了金属薄膜条阵列[3]，并且发现了金属薄膜条阵列对红外波段的光有较强的局域和增强效应2004 年，W.E. Moerner 等人设计了金属蝴蝶结型天线 [4]，得到了 103量级的场增强2005 年，B. Hecht 小组报道了能实现纳米量级聚焦的金偶极光天线[5]，为纳米成像、纳米光刻等领域的发展提供了广阔的应用前景 2006年，Corozier 和 Capasso小组制造了金材料的纳米天线，该天线能实现直径40nm 的红外光斑聚焦 [6]2008 年，Mohammadi 等人研究了金纳米棒和纳米球对辐射源辐射衰减率和辐射效率的影响[7] 2009 年，P.Biagioni 提出了不受极化方向影响的交叉天线，该天线由两个偶极天线组成，可将任意极化方向入射的光转化为局域增强的近场[8]2011年，Heykel Aouani 等人设计了梯形对数周期光天线，并且从理论和实验上研究该光天线的宽频带特性，得到了表面增强红外吸收增益大约在105量级 [9]。

2012 年，Brian J. Roxworthy 等人利用金蝴蝶结型纳米天线阵列实现了集高捕获效率和粒子排序功能于一体的系统该系统可以实现单粒子或者多粒子的捕获和控制以及粒子分选，其低输入能量的特性在生物应用中可以有效地降低样本的光损伤 [10]2013年，Yao 等设计了石墨烯负载等离子天线作者利用石墨烯作为可调负载，使天线在中红外频率区的调制范围达到650nm [11]. 3 近期，武汉大学郑国兴与伯明翰大学教授張霜，利用反射式纳米光天线阵列，在实验中捕捉到爱因斯坦激光全息图像，并且实現了高达80%的实测衍射效率這一成果超越了传統材料的激光全息水平，而且其制造工艺仅需一步光刻，大大简化了工艺流程美国伊利诺斯大学研究小组基曼尼·图森特设计了一种柱-领结纳米天线阵列，在电子扫描显微镜下，通过调整阵列，可实现对等离子光学性质的调控在扫描电子显微镜（SEM）发出的电子束的作用下，单根或多根p-BNA子阵列，可以实现 60 纳米/秒的速度变形在电子束的激发下，纳米天线阵列在等离子推动产下，出现明显变形2015 年 3 月，中国科学技术大学设计了一种凹型结构的纳米天线， 其尺寸为 50 nm。

该凹形结构的天线可以在可见光的宽谱范围产生光热效应，从而为有机加氢反应提供热源并且其结构的尖端可以产生局部高温而这些特性可以通过降低结构对称性和增大颗粒尺寸实现国内外的关于光天线的研究进展备受关注其在军事或日常应用前景十分广阔，纳米技术作为一种新的技术可以在控制和利用纳米量级的物质而纳米天线可以超过衍射极限，在纳米量级控制光场纳米天线的尺寸大约是一个光波长量级，所以纳米制造工艺必须大10nm 纳米科技和纳米技术例如自上而下的纳米制造工具如电臂印刷术和聚离束和自下而上的技术，使生产制造这种维度的纳米天线成为可能纳米天线的制造工艺为纳米光学器件的发展提供了新兴发展的机会近年来，纳米制造工艺取得巨大进展同时，光和纳米尺度物质相互作用在理论和实验方面也发展迅速纳米光学在这一时期也蓬勃发展，这一时期最激动人心的进展是纳米天线的概念、设计和应用从开始出现近场光学和场增强光谱学这一概念，它们迅速地演变成增强和改变量子辐射源自发辐射、促进光和物质之间的相互作用、纳米量级的光的非线性性以及实现光通讯链路对的的一个复杂工具介于纳米天线的几何结构参数改变对其谐振特性显著，所以可靠和稳定性的纳米加工技术是非常必要的。

多种自上而下或者自下而上的纳米加工方法已经在试验中实现自上而下的方法有电臂印刷术（EBL） 、聚焦离子束（ FIB）等EBL的优点是对于精细的图案可直接刻画，且高能电子的波长小于1nm，可以有效地4 避免绕射效应，用于实验室制作微小纳米电子元件，是最佳的选择之一FIB 方法是，首先利用液态金属 (Ga)离子源产生离子束，然后将离子束经过离子枪加速, 聚焦，最后照射于样品表面从而产生二次电子信号取得电子像其对表面原子利用强电流离子束进行剥离 , 从而实现成微、 纳米级表面形貌加工 通常是以物理溅射的方式搭配化学气体反应，有选择性的剥除金属,氧化硅层或沉积金属层 EBL 和FIB 的过程如图所示 自上而下的方法通常用于制造大型的纳米天线阵列而自下而上的方法利用化学合成和纳米粒子的自组装，其结晶度非常完美，因此可以放在任何的衬底上自上而下的方法一个缺点是需要确定精确的尺寸和纳米位置以及组装策略其在精确度方面有待提高图 1.1 采用 EBL 和 FIB 制造纳米天线的主要过程[40] 在过去几年里，有关光天线的科研课题不断增加目前，这一课题已扩展到很多领域，像光学、物理学、化学、生物学和医学等等。

而纳米天线也因其独特的性质而在生物医学 [12]、太阳能利用 [13]、非线性光学 [14] 、光催化[15]以及高灵敏度检测器 [16]等领域有广泛的应用通常，人们认为纳米天线可以从射频天线的研究中获取很大的优势，当前纳米光学中遇到的很多问题，已经被射频天线的巨人们实验证实并解决实际上，将射频天线的概念应用到光学领域非常有利但是纳米天线与传统的射频天线相比，有自身独特的性质例如，存在于金属和介质界面的表面等离激元引起的特殊共振基于表面等离激元共振的纳米天线能有效地局域电磁能量局域表面等离激元的局域场增强效应为纳米光天线的发展和提供了广阔的应用前景1.2 表面等离激元和局域表面等离激表面等离子体（ Surface Plasmons，SPs）是一种电磁表面波，于1907 年由Zenneck提出等离子体又称为电浆，是一种类似气体状的物质，该物质由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组成它存在于两种媒质的边界两这种边界由无耗媒质和有耗或者金属组成表面等离子体在界面面处场强5 最大，在垂直于界面方向随着远离界面的距离呈指数衰减，它能够被电子或光波激发最常见的等离子体存在于金属与介质的分界面处，存在于金属表面的自由振动的电子，受到光子的作用，会在金属表面产生一种沿着金属介质分界面方向传输的疏密波，如图1.2 所示。

金属 /介质处的自由电子气在电磁场的激发下所产生的集体振荡当电子的振荡频率等于电磁场的频率时就会产生共振，这时形成的电磁模式称为表面等离激元(Surface Plasmon Polaritons, SPPs) [17, 18] 图 1.2 TM 极化的电磁波与金属作用产生的表面等离激元示意图而电磁波有 TE 与 TM 两种偏振方式，下面介绍金属分别在TE 和 TM 两种不同偏振方向电磁波的照射， 金属介质界面处的等离子体情况首先考虑 TE 极化的电磁波，由于 TE 极化的电磁波在介质与金属的分界面处，只存在沿着金属与界面方向的连续的水平电磁分量，因此TE 极化的电磁波波不能在金属表面产生SPPs 对于 TM 极化的电磁波有：DDDDDDDDD0,,0 0 ,0,xzxzi kxkzt yi kx kzt xzHe z EEeHE(1-2-1) MMMMMMMMM0,,0 0 ,0,xzxzi kxkzt yi kx kzt xzHe z EEeHE(1-2-2) 电场与磁场在金属与介质的分界处须满足连续性条件如下：DMDMDDMMDMyyxxzzxxHHEEEEkk(1-2-3) 式中，D表示介质的介电系数，M是金属的介电系数。

由于表面波具有对称性，所以有DMzzEE， 得到金属与介质的介电常数的关系为：MD(1-2-4) 金属的介电常数小于0，因此其可以激发SPPs. 将上面各式带入如下的Maxwell方程组中，6 =tBE(1-2-5) =tDH(1-2-6) 可得DDDDDDDDMMMMMMMMDMDM0zyxxyzzyxxyzzzkHEkHEkHEkHEkk(1-2-7) 表面等离激元的色散关系表示为：MDMDSPPskc(1-2-8) 如果利用理想得Drude 模型，即忽略202(1)piD =E 中的虚部，因为在高频极限情况下非常小，因此可以忽略与有关得项可得金属的介电常数：22 M1p(1-2-9) 将式(1-2-9)带入式 (1-2-8)可得：1 222 D22 D1 22 1 D22 D1 2222M22 D11111px pz ppz pkckckc(1-2-10) 由上式可知 SPPs 在金属和介质中的波矢当xk 为实数时 ，且频率D1p表面7 等离激元的电磁场可以分为辐射性和非辐射性两种形式当频率较小，且满足11p时，Dzk和Mzk都是虚数也就是说， SPPs 产生的电磁场振幅在垂直于金属与介质的界面的方向上，随着远离界面的方向而呈现指数衰减。

而在与金属介质界面平行的方向上， SPPs 的电磁场则沿着该界面传播此时，SPPs 为非辐射性表面等离激元，如图 1.3所示常用的金属受到电磁波激发，其产生的电磁场被局域在金属附近，即是此类的非辐射的SPPs 若电磁波的频率较大，且p，此时Dzk与Mzk均为实数，此时产。