自支撑薄膜上金纳米颗粒阵列的共有化表面等离子体共振研究

二维金纳米颗粒周期阵列支持品质因子极高的表面等离子体共有化共振模式，在高灵敏度生物传感器和表面增强拉曼散射等领域具有重要的应用前景。目前的研究由于受工艺加工技术的限制，必须采用介质衬底，而衬底的不对称性会抑制共有化共振模式的产生。本项目拟采用聚酰亚胺自支撑薄膜代替介质衬底，利用电子束光刻技术制备自支撑薄膜上的金纳米颗粒阵列结构，研究其光学性质，分析表面等离子体共有化共振模式的特性，揭示去除衬底后布拉格散射对共有化共振模式的影响。在上述结构的基础上，进一步覆盖不同厚度的聚酰亚胺膜层，形成薄膜波导。研究不同厚度及不同不对称度波导中金纳米颗粒周期阵列结构的光学性质，分析表面等离子体共有化共振模式的变化规律，揭示波导模式对表面等离子体共有化共振模式的影响。本项目的成果将有助于揭示表面等离子体共有化共振模式的物理机制，为相关的高性能光子器件的实用化提供新的思路和技术路线。

金属纳米颗粒周期阵列支持表面等离子体共有化共振模式，该模式具有品质因子极高，局域场很强的性质，在高灵敏度生物/气体传感器、表面等离子体激光器以及超透射等领域具有重要的应用前景。在本项目中，我们对周期金属纳米颗粒阵列支持的表面等离子体共有化共振进行了细致的分析和研究。.首先，对于金属纳米颗粒阵列在超透射中的作用进行了分析，发现其支持的空气-金属界面的表面等离子体共有化共振能够与衬底中的光波耦合，从而穿过无孔的不透明金属薄膜，产生超透现象。该非对称金属薄膜结构目前是能够实现超透射现象的最容易加工的结构。.其次，对表面等离子体共有化共振所需的条件进行了分析，发现刻蚀衬底能够提供一个相对均匀的背景介质环境，减少衬底对共振的抑制。利用表面等离子体共有化共振对背景介质的高敏感特性，采用刻蚀衬底的易加工结构，设计了生物和气体传感器，在可见光波段灵敏度达到了596.7纳米/折射率。.最后，研究了非对称金属纳米周期结构的色散关系，寻找不依赖于均匀介质背景的具有高品质因子的表面等离子体共振模式。发现非对称金属纳米周期结构的带边模式具有与共有化共振模式相比拟的品质因子，因此这种易于制作的结构可以用来设计表面等离子体激光器。我们研究了结构参数对品质因子的影响，并且模拟了该结构中表面等离子体的单模和多模激射。我们的这个模型为未来硅基低阈值表面等离子体激光器提供了一种方法。.上述有关表面等离子体共有化共振物理机制和光学性能的基础研究加深了对表面等离子体共有化共振的理解，并为相关的光子器件设计提供了新的思路和方法。