基于双金属纳米结构Fano干涉的负磁导率等离子晶体

表面等离子光学和超材料的结合促进了负磁导率材料的发展，在光学波段上，金属纳米结构严重的共振吸收和苛刻的激发条件限制了光学负磁导率的实现。本项目在前期纳米合金结构和光电性质的预研基础上，提出按照双金属纳米粒子对(dimer)的具有偶极活性的反相Fano表面等离子共振模式来生长等离子晶体，在横波方向实现强负磁导率的同时，在行波方向上实现高透过率。在单个双金属纳米粒子，纳米粒子对，纳米粒子阵列三个结构层次上，研究不同线宽的表面等离子局域模式形成Fano共振的杂化过程，研究光学磁性的Fano共振形成机制，研究Fano磁共振波长处于导带的阵列结构。研究确定什么样的成分和超结构才能在非磁性银-铜体系的纳米枝晶中产生负磁导率，理论设计和实验制备出具有光学磁性的双金属平行纳米粒子对阵列(表面等离子晶体)，最终建立起双金属纳米合金中光学磁性的Fano干涉诱导机制。

在银铜纳米粒子, 纳米粒子对(dimer)和纳米孔阵列表面等离子体系中，本课题开展了Fano共振和光学磁性两个方向的研究, 在器件上,完成了金,银和铜纳米粒子, 及其同质-异质对的局部表等离子模式和集合模式的研究, 在性能上,完成了银铜-纳米团簇和纳米粒子的几何结构, 电子结构, 光学电学磁学性质及以催化性质研究, 八面体,十面体和二十面体结构纳米金的熔化和表面重构研究, 实验制备和优化设计出了低损耗银铜双金属MIM结构负磁导率表面等离子材料，可以实现80%的透过率和-1.02的相对磁导率; 在材料上, 完成了Ag纳米线阵列的制备，测试了其光学吸收特性，并研究了其交流电沉积机理，完成了银铜纳米枝晶的制备及光学性质分析; 在工艺上，完成了阳极氧化AAO和TIN模板的制备工艺，研究了制备参数对模板形貌的影响；掌握了激光诱导换模加工、模板的剥离及阻挡层的去除或减薄工艺。这些研究发现(1)非对称金-银纳米粒子对只存在三个表面等离子体耦合模式, 只有低能T模式才能产生光学磁性;(2)纳米金熔化过程中会发生表面重构, 导致了Dh和Oh结构的熔点比Ih结构高; (3)非对称银-金纳米粒子对可以在局部等离子明模式和耦合等离子明模式之间产生Fano共振模式并可以提高非辐射复合荧光强度;(4)尺寸小于210nm金属纳米粒子在光电和光磁应用中存在金属寄生吸收效应;(5) 实验和理论证实一次枝晶尺寸1000-2000 nm, 二次枝晶尺寸300-800 nm的银铜纳米枝晶自组织形成的金属-绝缘体-金属(MIM)支持多表面等离子共振和光学磁性;(6)使用粒子群优化算法设计出了银金纳米双孔阵列结构, 损耗优因子FOM高达21, 有效磁导率Re(mu)的极值从-1变到-12之间调制,(7) Ih对称性 Ag12Cu1核壳纳米粒子团簇的平均铁磁矩是0.384 muB/atom, 而COh对称性Ag12Cu1 (core-shell) 核壳纳米粒子团簇的平均顺磁矩是0.077 muB/atom.