表面等离激元调控的纳米结构聚焦与波导

In this proposal, we will use the modern micro-nano fabrication tecchnique to fabricate metallic, semiconductor, or metal-dielectric hybrite nanowire or structure for surface plasmon polariton-SPP waveguiding and focusing devices. By using high spacitial resolution optical characterization technique, such as our lab-made scanning near-field optical microscope and sprctrosopy etc, we will study the new SPP nanostructure, manupolate the waveguiding and focusing properties of nanosturctures. Combining the characterization of topography and optical properties, we will study the formation and propagation of the surface wave, the surface scattering, phase relation and polarization, to improve the focusing and waveguiding of the micro-nano light source. Using finite differential time domain (FDTD) method, we will simulate the propagation of SPP inside the nanostructure and the mechanism of optical antena. Chosing new type of focusing structures, such as spiral, Archmid spiral, U-shape and anti-U-shape waveguide, Ag nanowire etc, the high efficiency focusing, coupling and waveguiding will be studies. In special, we will use our unique high spacital resolution near-field optical imaging and spectroscopy to characterize directly the SPP focusing and waveguiding, hence to reveal some basic problems of the propagation and focusing of electromagnetic wave.

本申请拟用微纳加工技术制备金属、半导体或金属和介质复合纳米线等纳米尺度表面等离激元（Surface Plamon Plaritons－SPP）波导与聚焦器件。运用高分辨纳米光学检测方法，如自行研制的低温近场光学显微镜与近场光谱等，研究SPP新型纳米结构，操控半导体纳米线、光学波导等的光学性质。结合纳米结构的表面几何特征，研究表面波的形成与传播，表面光散射及光的位相和偏振特性，以探索高效微纳光源的聚焦与波导。利用有限时域差分（FDTD）方法模拟光在SPP波导与聚焦中的耦合与传播及纳米光学天线的工作机理。选择新型聚焦结构，如螺旋形、阿基米德螺线结构的聚焦与螺旋形结构和入射偏振光和手性的关系、U型-反U型波导的低损耗传播、Ag纳米线和纳米颗粒的耦合及波导传播等，运用高分辨光学近场的成像与近场光谱技术，直接对纳米光学器件的SPP聚焦和波导进行表征，揭示SPP器件中电磁场的传播、聚焦等基本物理问题。

中文摘要.表面等离激元光子学(Plasmonics)是近年来国际上光与纳米结构相互作用领域的研究热点，具备与常规光的传播所不同的传导和聚焦方式, 具有突破光学衍射极限的高分辨本领，以及在金属-介质界面上以纳米尺度限阈传播的特点，在新型光电器件的发展中起到日益增强的重要应用，可望用于提高电子器件的运算速度及有效地减小光子器件的尺寸。.得到基金委项目资助后，课题组主要的研究内容为：.（1）设计并制备金属纳米结构，实现表面等离激元的超高分辨表征：包括可操控的等离激元纳米光源、纳米波导，以及等离激元光电探测的初步设计；（2）实现新型低维纳米结构表面等离激元光电增强耦合与探测：利用纳米光学天线等离激元热电子界面隧穿，实现低维材料光电流增强探测及其宽波段本征等离激元增强吸收；（3）探究等离激元界面物理过程，优化关键等离激元耦合参数，初步获得不同结构的等离激元聚焦与传播原型器件，如阿基米德形、鱼骨形或U-， V-形纳米结构；为未来构建纳米尺度的光学回路并最终实现纳米尺度等离激元光信息器件的功能集成提供了实验和理论基础。探索表面等离激元学在纳米结构中传播的理论及技术路线。.利用理论分析，电磁场数值模拟时域有限差分方法（Finite difference time domain，FDTD）、扫描近场光学显微镜（Scanning near-field optical microscope，SNOM）等手段，对表面等离激元金属纳米结构突破衍射极限的聚焦特性进行了研究。.本研究探索了表面等离激元原理的亚波长聚焦的新思路、新方法，并且使得纳米聚焦调控手段更加灵活、便捷。.我们着重研制新型表面等离激元（SPP）纳米结构的聚焦设计与制备、在等离激元表面波的形成与传播与聚焦、SPP纳米结构器件等研究方面取得进展。.立项来，发表标注基金编号的SCI论文10篇，其中包括发表在国际著名期刊，如Chemical Reviews，ACS Nano，Plasmonics, Optical Express等，在与本课题相关的纳米光学国际会议应邀发表邀请报告多篇，作为主要作者或责任作者正式出版物3本（其中两本为国际出版物）。培养中青年优秀人才（基金委优青、国家万人计划）一名，出站博士后一名。五人获得博士学位，在研博士3人。.