余鵬 王保清 吳小虎 王文昊 徐紅星 王志明?

1) (電子科技大學(xué)基礎(chǔ)與前沿研究院, 成都 610054)

2) (山東高等技術(shù)研究院, 濟(jì)南 250100)

3) (武漢大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 武漢 430072)

1 引 言

手性廣泛的存在于自然界的生命體中, 例如從宏觀結(jié)構(gòu)的生物外形到微觀結(jié)構(gòu)的分子、酶等的相互作用. 手性指其鏡像無(wú)法通過(guò)任何旋轉(zhuǎn)或平移操作與其本身重合. 這兩個(gè)不可重疊的結(jié)構(gòu)被稱為對(duì)映異構(gòu)體. 雖然它們的結(jié)構(gòu)在形式上等效的, 例如左手和右手, 但是它們與外界物理量的作用可能不同[1]. 例如, 存在于藥物中的手性對(duì)映異構(gòu)體具有相同的化學(xué)式和相同的物理性質(zhì), 而在空間排列上具有差異. 但是, 這種不對(duì)稱會(huì)導(dǎo)致無(wú)活性甚至是毒性. 歷史上臭名昭著的沙利度胺事件—海豹胎事件—就是由于人們對(duì)手性認(rèn)識(shí)的缺乏所致. 區(qū)分手性結(jié)構(gòu)的常規(guī)技術(shù)手段是區(qū)別它們與圓偏振光的相互作用的吸收/透射光譜: 左圓偏振(lefthand circular polarization, LCP)和右圓偏振 (right-hand circular polarization, RCP)的不同吸收/透射, 即圓二向色性 (circular dichroism, CD). 它在分析化學(xué)、工業(yè)制藥、生物監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域具有重要的作用. 然而, 由于天然結(jié)構(gòu)的分子波函數(shù)在空間的擴(kuò)展與激發(fā)波長(zhǎng)相比很小, 因此分子、酶等的光-物質(zhì)的電磁作用很弱, 導(dǎo)致其手性效應(yīng)很小. 這不僅會(huì)導(dǎo)致測(cè)量技術(shù)靈敏度低, 還會(huì)導(dǎo)致材料浪費(fèi)大和獲取時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題. 取而代之的是, 研究者提出了手性分子與手性納米結(jié)構(gòu)偶聯(lián)的新方法來(lái)提高光-物質(zhì)作用的強(qiáng)度[2].

等離激元納米結(jié)構(gòu)利用金屬表面自由電子和光的相互作用來(lái)提高手性分子的光-物相互作用.手性等離激元納米結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)近場(chǎng)增強(qiáng), 把光局域在納米尺度內(nèi)[3?5]. 等離激元手性結(jié)構(gòu)的應(yīng)用研究主要有對(duì)圓偏振光的調(diào)控及其轉(zhuǎn)換、增強(qiáng)手性光譜靈敏度等. 例如, Li等[6]利用手性等離激元產(chǎn)生的熱電子實(shí)現(xiàn)了對(duì)圓偏振光的檢測(cè). 我們也曾報(bào)道了采用手性等離激元結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)手性的光熱轉(zhuǎn)換[7]和光化學(xué)[8,9]等應(yīng)用. Wu等[10]利用手性納米二聚體的產(chǎn)生來(lái)檢測(cè)微半胱氨酸-LR和癌癥生物標(biāo)記物. Ouyang 等[11]實(shí)現(xiàn)了 1.35—1.85 μm, CD > 0.5的寬帶手性吸收器. He等[12]報(bào)道了可調(diào)諧狄拉克半金屬誘導(dǎo)的巨圓二色性. 納米制造技術(shù)的進(jìn)步使復(fù)雜的手性等離激元結(jié)構(gòu)得以實(shí)現(xiàn): 例如直接激光書(shū)寫, 多層光刻, 通過(guò)支架或DNA的自組裝以及電子束曝光等[2]. 三維納米結(jié)構(gòu)具有更大的CD效應(yīng), 這是由于其多層之間的強(qiáng)烈的近場(chǎng)電磁耦合.常見(jiàn)的三維等離激元結(jié)構(gòu)有: 螺旋[13], 螺旋型斜坡納米結(jié)構(gòu)[14], 三維L形[15], 多層非手性結(jié)構(gòu)的重疊[16]和三維折紙[17]等. 相比三維結(jié)構(gòu), 二維平面結(jié)構(gòu)制備相對(duì)簡(jiǎn)便, 對(duì)工藝的要求較低, 例如S形[18],平面L形[7], 萬(wàn)字形[19]等. 在制造過(guò)程中引入一些不對(duì)稱性, 或通過(guò)適當(dāng)設(shè)置可激發(fā)納米結(jié)構(gòu)來(lái)中和手性. 另外, 上述的許多結(jié)構(gòu), 尤其是工作在近紅外和可見(jiàn)光的人工手性微納結(jié)構(gòu), 都依賴于價(jià)格昂貴的曝光或者刻蝕設(shè)備.

低成本的納米球光刻技術(shù)(nanosphere lithography, NSL)可用于大規(guī)模制備超材料結(jié)構(gòu)——納米球, 首先在平面上自組裝, 然后通過(guò)反應(yīng)離子束刻蝕減小它們的直徑, 最后蒸鍍各種金屬可以形成大面積的等離激元超材料結(jié)構(gòu). 如果樣品相對(duì)于蒸發(fā)角傾斜, 則樣品對(duì)稱性將被破壞, 則結(jié)構(gòu)被引入手性[20]. 這為大規(guī)模制備手性等離激元結(jié)構(gòu)提供一個(gè)可行的技術(shù)途徑. 在制備手性等離激元超吸收結(jié)構(gòu)的過(guò)程中, 通常會(huì)有一個(gè)吸收率(通常在可見(jiàn)或者近紅外)跟制備復(fù)雜程度的折中. 一是可以大面積制備, 但是獲得光學(xué)手性吸收小; 或者獲得的光學(xué)手性大, 但是需要電子束曝光等復(fù)雜、低產(chǎn)量的加工方式.

本文提出蜂窩狀排列的橢圓孔洞吸收器, 它工作在近紅外波段. 它采用經(jīng)典的微納結(jié)構(gòu)層-介質(zhì)層-金屬層的三明治結(jié)構(gòu), 即以金屬薄膜作為基底阻隔光透射, 以SiO2作為介質(zhì)匹配層放置于金屬薄膜上, 然后在頂層設(shè)計(jì)出蜂窩狀排列的橢圓孔洞等離激元結(jié)構(gòu). 采用數(shù)值計(jì)算來(lái)研究其在手性光譜下的吸收, 光學(xué)g因子 (g-factor). 模擬顯示, 通過(guò)合理的設(shè)計(jì), 該結(jié)構(gòu)在近紅外RCP光下可實(shí)現(xiàn)近完美的吸收, 而在LCP光下的吸收僅約為RCP光下吸收的10%, 對(duì)應(yīng)約0.8的CD值和約1.7的g-factor. 通過(guò)分析其在最佳CD波長(zhǎng)處的電場(chǎng)強(qiáng)度、電荷密度分布和能量損耗等, 揭示其CD和gfactor 產(chǎn)生的物理機(jī)制. 本設(shè)計(jì)可為大規(guī)模制備手性等離激元超吸收器提供思路.

2 結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與仿真原理

等離激元手性吸收器的單元結(jié)構(gòu)如圖1所示.圖1(a)為所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的3D示意圖. 圖1(b)為結(jié)構(gòu)的頂視圖. 頂層結(jié)構(gòu)是一層具有橢圓孔洞的金屬, 孔洞呈六角排列, 且保證孔洞之間不重疊. 孔洞之間的距離為P; 孔洞為橢圓形狀, 長(zhǎng)軸半徑為a,短軸半徑為b, 可在x-y平面內(nèi)旋轉(zhuǎn), 長(zhǎng)軸與x軸的夾角為q. 圖1(c)為手性吸收器的剖面圖, 底層的連續(xù)金屬薄膜為金, 厚度為 200 nm; 中間的 SiO2層折射率n為1.45, 厚度為h2; 最上面一層為有橢圓孔洞的金薄膜, 厚度為h1; 結(jié)構(gòu)中金的光學(xué)常數(shù)都取自 Johnson and Christy[21].

圖 1 手性等離激元吸收器的結(jié)構(gòu)示意圖 (a) 三維立體結(jié)構(gòu)圖; (b) x-y 平面圖; (c) x-z 平面圖Fig. 1. Schematic of the proposed chiral plasmonic absorber: (a) Three dimensional schematic of the absorber; (b) schematic of the absorber in x-y plane; (c) schematic of the absorber in x-z plane.

本文應(yīng)用時(shí)域有限差分法(finite-difference time-domain, FDTD)進(jìn)行仿真. 對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了收斂性測(cè)試, 如改變網(wǎng)格大小或者完美匹配層(perfect matched layer, PML)的層數(shù), 直到結(jié)果不再改變. 本文采用強(qiáng)制網(wǎng)格劃分和系統(tǒng)自動(dòng)生成的網(wǎng)格: 由于蜂窩狀孔洞層對(duì)吸收的影響至關(guān)重要, 蜂窩狀孔洞層和其附近區(qū)域?yàn)閺?qiáng)制網(wǎng)格劃分,?x= ?y= ?z= 3 nm; 其余地方采用系統(tǒng)網(wǎng)格,值為6; 單元仿真時(shí)間設(shè)置為1000 fs. 電磁場(chǎng)的邊界條件為周期性邊界條件以模擬真實(shí)情況下的周期排列;z方向則使用PML(64層)以保證入射波將無(wú)反射地穿過(guò)分界面而進(jìn)入PML. 在仿真模擬中, 所設(shè)計(jì)的手性吸收器被沿著–z軸方向的垂直入射的圓偏振光照射. 吸收率為

其中T(l)和R(l)分別為透射率和反射率.

由于最底層的金具有足夠的厚度, 等離激元手性吸收器的透射為零, 即T= 0, 因此 (1)式的吸收率僅和反射率有關(guān), 即A(l) = 1 –R(l). 因此,吸收率由仿真所得的反射率間接得出. 在仿真中,在光源后部放置一個(gè)功率監(jiān)視器可獲得結(jié)構(gòu)的反射率, 最后通過(guò)上述公式處理, 最終獲得吸收率.兩個(gè)非常重要的參數(shù), CD(即結(jié)構(gòu)在左旋光的和右旋光下的差分吸收)和g-factor可用來(lái)表征手性結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱性. 對(duì)于光學(xué)吸收, 則有手性CD吸收譜和手性g-factor吸收譜, 分別對(duì)應(yīng) C DA和gA:

其中,ALCP和ARCP分別為在 LCP 和 RCP 入射情況下, 結(jié)構(gòu)的吸收率. 手性微納結(jié)構(gòu)的CD主要來(lái)源于磁電耦合特性, 可以表示為

其中k為手性參數(shù), 代表電場(chǎng)與磁場(chǎng)的耦合強(qiáng)度;e和μ分別為介電常數(shù)和磁導(dǎo)率;D為電位移矢量;B為磁感應(yīng)強(qiáng)度. 為了仿真圓極化光, 兩個(gè)x和y極化的平面波被放置在一起, 但是它們的相位差值分別為 90°和–90°, 分別對(duì)應(yīng)著 LCP 和 RCP 極化.

3 結(jié)果與討論

根據(jù)上述模型, 利用計(jì)算機(jī)在近紅外800—1200 nm范圍內(nèi)計(jì)算蜂窩狀排列的橢圓孔洞手性吸收器的吸收性能、圓二色性和g-factor. 首先, 通過(guò)改變橢圓孔洞的長(zhǎng)軸大小來(lái)研究它對(duì)上述結(jié)果的影響, 圖2顯示了在LCP和RCP光垂直入射的情況下的吸收、圓二色性和g-factor. 結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)為:h1= 45 nm,h2= 100 nm,q= 30°,b=180 nm. 從圖 2(a), (b) 可以看出, 在研究波長(zhǎng)范圍內(nèi)出現(xiàn)了明顯的吸收峰, 峰值大約為0.4—0.6; 雖然在共振模式處的吸收差異導(dǎo)致了CD信號(hào), 但是在LCP和RCP光照下吸收的差異相對(duì)較小, 因此其 CD 和g-factor較小, 如圖 2(c), (d)所示. 等離激元的共振依賴于結(jié)構(gòu)的尺寸、形狀等. 隨著a長(zhǎng)度的增加, 共振吸收峰出現(xiàn)紅移, 這是由于隨著尺寸的增加, 共振恢復(fù)力減弱, 從而降低共振頻率, 因此出現(xiàn)紅移.

為了進(jìn)一步說(shuō)明孔洞尺寸對(duì)吸收性能、圓二色性和g-factor的影響, 圖3給出了短軸b對(duì)結(jié)果的影響. 結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)為:h1= 45 nm,h2= 100 nm,q= 30°,a= 280 nm. 在增加短軸b的長(zhǎng)度時(shí)候,其影響基本和長(zhǎng)軸a的影響一致, 如圖3(a), (b)所示. 值得注意的是,a和b對(duì)吸收的影響都有一個(gè)有趣的特征: 在LCP光的照射下吸收峰值逐漸增大到最佳值然后減小, 而在RCP光照射下, 吸收峰值一直增大.

為了研究橢圓在平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)非對(duì)稱性的影響, 我們進(jìn)一步計(jì)算了在不同q下的結(jié)果, 如圖 4 所示. 結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)為:h1= 45 nm,h2=100 nm,a= 280 nm,b= 160 nm. 與上述參數(shù)對(duì)結(jié)果的影響不同的是,q對(duì)結(jié)果的影響很大. 例如在q= 30°時(shí),ALCP和ARCP的值分別約為 0.65和 0.55; 在q= 35°時(shí),ALCP和ARCP的值分別約為0.9和0.2. 這是由于在a和b確定情況下, 此時(shí)傾斜引入的角度對(duì)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性破壞大. 這種吸收的差異導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的CD絕對(duì)值相差較大, 約為0.4—0.8, 對(duì)應(yīng)的g-factor約為 0.6—1.7, 如圖 4(c), (d)所示. 通過(guò)設(shè)計(jì)合適的傾斜角度, CD值可以反向,即 CD(–q) = –CD(q). 此時(shí)結(jié)構(gòu)的共振頻率改變不大, 這是由于偶極子共振在橢圓結(jié)構(gòu)中的共振模式改變較小的緣故. 眾所周知, 等離激元的共振頻率取決于結(jié)構(gòu)的尺寸、形狀等. 手性光的電場(chǎng)矢量可以分解為線性的極化光: 即兩個(gè)正交的電場(chǎng)矢量Ex和Ey[9]. 此時(shí)橢圓孔洞的形狀、尺寸并未改變, 僅在面內(nèi)旋轉(zhuǎn). 因此改變的僅為橢圓孔洞在x和y方向上與電磁波的相互作用強(qiáng)度.

圖 2 橢圓孔洞長(zhǎng)軸 a 變化時(shí)的吸收譜, CD 譜和 g-factor (a), (b) 吸收譜; (c) CD 譜; (d) g-factorFig. 2. Simulated absorption spectra, CD spectra and g-factor with the long axis of the ellipse a changes: (a), (b) Absorption spectra; (c) CD spectra; (d) g-factor.

圖 3 橢圓孔洞短軸 b 變化時(shí)的吸收譜、CD 譜和 g-factor (a), (b) 吸收譜; (c) CD 譜; (d) g-factorFig. 3. Simulated absorption spectra, CD spectra and g-factor with the short axis of the ellipse b changes: (a), (b) Absorption spectra; (c) CD spectra; (d) g-factor.

圖 4 橢圓傾斜角 q 變化時(shí)的 (a) (b) 吸收譜, (c) CD 譜, (d) g-factorFig. 4. Simulated absorption spectra, CD spectra and g-factor with the angle of the ellipse q changes: (a), (b) Absorption spectra;(c) CD spectra; (d) g-factor.

接下來(lái), 在優(yōu)化的q基礎(chǔ)上, 我們研究了頂層結(jié)構(gòu)厚度h1和電介質(zhì)SiO2層厚度h2對(duì)結(jié)果的影響, 如圖 5 和圖 6 所示 (q= 25°,a= 280 nm,b=160 nm). 圖 5 顯示了h1厚度對(duì)結(jié)果的影響 (h2=100 nm). 盡管它們的吸收、CD 和g-factor相對(duì)較大, 然而h1厚度改變對(duì)最佳吸收值的影響較小; 對(duì)共振頻率的影響較大. 根據(jù)阻抗匹配理論, 共振頻率取決于隨著h1改變, 對(duì)應(yīng)的等效電感(由金屬結(jié)構(gòu)決定)改變, 因此共振頻率隨之改變[3]. 圖6顯示了h2厚度對(duì)結(jié)果的影響 (h1=55 nm). 同樣,h2厚度改變對(duì)最佳吸收值的影響較小. 與改變頂部金屬厚度不同的是, 改變SiO2層的厚度影響共振頻率公式中的電容(兩金屬結(jié)構(gòu)所夾的介質(zhì)層形成電容). 隨著h2的改變, 在RCP光照下, 共振頻率發(fā)生了紅移或者藍(lán)移. 吸收的峰值改變是由于阻抗不完美匹配造成的.

為了進(jìn)一步的說(shuō)明蜂窩狀排列的橢圓孔洞手性吸收器的機(jī)理, 本文分別研究了其在最佳CD處 (h1= 55 nm,h2= 110 nm,a= 280 nm,b=160 nm,q= 25°,P= 500 nm)的電場(chǎng)分布、表面電流分布和吸收損耗(吸收密度), 如圖7所示. 最佳CD值位于920 nm附近. 可以很明顯的觀察到在LCP和RCP光照下電場(chǎng)強(qiáng)度的差異, 然而在孔洞大部分區(qū)域并不存在場(chǎng)增強(qiáng). 從x-y平面來(lái)看,其電場(chǎng)主要位于孔洞的內(nèi)邊緣, 如圖7(a)和圖7(b)所示. 共振的模式在920 nm是源自偶極子共振.圖7(c)和圖7(d)為結(jié)構(gòu)在920 nm時(shí)候的表面電流分布圖. 在RCP光照下, 表面電流主要分布在金屬膜內(nèi), 并可在孔洞之間的金屬膜內(nèi)觀測(cè)到最大的表面電流; 在LCP光照下, 表面電流的最大值存在于孔洞之間的金屬膜內(nèi), 但是也有一部分表面電流存在于孔洞結(jié)構(gòu)中. 在超材料結(jié)構(gòu)中, 頂層和底層結(jié)構(gòu)內(nèi)會(huì)產(chǎn)生反向平行的電流, 形成電流環(huán).這意味著吸收器的磁偶極子共振模式被激發(fā)了出來(lái). 結(jié)構(gòu)在共振頻率下的吸收損耗如圖7(e)和圖7(f)所示. 從x-y平面來(lái)看, 在LCP和RCP光照下, 其吸收密度有很大差別, 而且其吸收密度的最大值出現(xiàn)在相鄰孔洞結(jié)構(gòu)的最短距離處. 從xz平面來(lái)看(圖未給出), 吸收的損耗主要位于頂層,且在LCP和RCP光照下, 其吸收密度相差巨大,這對(duì)應(yīng)了吸收的差異、大的CD值和g-factor. 表1總結(jié)了在可見(jiàn)和近紅外波段的手性超材料吸收器的相關(guān)參數(shù), 并和本文設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)做對(duì)比. 對(duì)比表明本文的結(jié)構(gòu)在CD和g-factor上均優(yōu)于其他文獻(xiàn). 由于此結(jié)構(gòu)可通過(guò)現(xiàn)有技術(shù)大面積制備, 因此為手性超材料吸收器的實(shí)際應(yīng)用提供了一定的指導(dǎo)意義.

圖 5 頂層結(jié)構(gòu)厚度 h1 變化時(shí)的 (a), (b) 吸收譜, (c) CD 譜, (d) g-factorFig. 5. Simulated absorption spectra, CD spectra and g-factor with the thickness of the top layer h1 changes: (a), (b) Absorption spectra; (c) CD spectra; (d) g-factor.

圖 6 電介質(zhì) SiO2 層厚度 h2 變化時(shí)的 (a), (b) 吸收譜, (c) CD 譜, (d) g-factorFig. 6. Simulated absorption spectra, CD spectra, and g-factor with the thickness of the SiO2 layer h2 changes: (a), (b) Absorption spectra; (c) CD spectra; (d) g-factor.

圖 7 不同偏振的入射光照射下, 共振波長(zhǎng)在 920 nm 附近的 (a) 和 (b) 歸一化電場(chǎng) E/E0 分布圖, 未歸一化前, LCP 和 RCP 光照射下 E/E0 最大值分別為 11 和 36; (c) 和 (d) 表面電流分布圖; (e) 和 (f) 吸收損耗 (吸收密度)圖. 圖 (a), (c)和 (e) 為 LCP 入射;圖 (b), (d) 和 (f) 為 RCP 入射Fig. 7. (a), (b) Normalized electric field E/E0; (c), (d) Surface current distribution; (e), (f) Absorption loss (absorption density) at the wavelength of 920 nm with different circularly polarized illuminations. (a), (c) and (e) For LCP; (b), (d) and (f) for RCP; the non-normalized maximum values of E/E0 under LCP and RCP light irradiation are 11 and 36, respectively.

表 1 可見(jiàn)和近紅外波段的手性超材料吸收器與本文吸收器的對(duì)比Table 1. Selected publications on chiral metamaterial absorbers at the visible and near-infrared region.

圖 8 LCP和RCP光入射結(jié)構(gòu)時(shí)反射波中兩種圓偏振光的分量Fig. 8. The components of LCP and RCP light in the reflected wave.

通過(guò) CST Microwave Studio 軟件計(jì)算出的結(jié)構(gòu)對(duì)LCP和RCP光的轉(zhuǎn)換可以進(jìn)一步從直觀上理解手性吸收的現(xiàn)象(由于CST和FDTD計(jì)算方法的不同, 結(jié)果在共振波長(zhǎng)處有少許差異). 圖8顯示了兩種圓偏振光入射結(jié)構(gòu)時(shí), 反射波中兩種圓偏振光的分量. 共振波長(zhǎng)處, 入射光為 LCP時(shí), 反射波中的LCP接近0, RCP小于0.04; 入射光為RCP時(shí), 反射波中RCP接近于0, LCP大于0.85.因此在共振波長(zhǎng)處, CD值可以達(dá)到約0.8. 其次,可以看出未發(fā)生偏振轉(zhuǎn)化部分LCP-LCP和RCPRCP大小一樣, 手性來(lái)源于兩種圓偏振光具有不同的偏振轉(zhuǎn)化效率. 除了在共振波長(zhǎng)處, 反射波中既有LCP, 也會(huì)有RCP. 經(jīng)典的手性參數(shù)提取方法并沒(méi)有考慮偏振轉(zhuǎn)化的情況, 認(rèn)為L(zhǎng)CP(RCP)入射時(shí), 只有 (RCP)的反射[25]. 然而, 真實(shí)情況下,反射波中具有兩種圓偏振光, 因此該方法在這里不適用.

通過(guò)現(xiàn)有技術(shù), 可大規(guī)模制備本文所提出的吸收器結(jié)構(gòu). 首先, 在襯底上通過(guò)磁控濺射或電子束蒸發(fā)生長(zhǎng)一層黏附層, 如 Ti (3—5 nm), 再生長(zhǎng)200 nm 的金薄膜. 而后, 通過(guò)磁控濺射或電子束蒸發(fā)生長(zhǎng)一層SiO2. 關(guān)鍵的是在頂層加工蜂窩狀排列的橢圓孔洞結(jié)構(gòu). 可利用納米球光刻技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn), 具體步驟為在上述結(jié)構(gòu)上通過(guò)自組織的方法形成一層聚苯乙烯 (polystyrene, PS)球, 它可以控制結(jié)構(gòu)的周期; 然后通過(guò)反應(yīng)離子束(Ar:O2)減小PS球的尺寸至合適的大小和間距. 最后, 通過(guò)電子束蒸發(fā)或磁控濺射金屬層: 在一定傾斜角下沉積,在此過(guò)程中必須引入面內(nèi)傾斜, 以保證形成橢圓傾斜結(jié)構(gòu). 最后移除納米球獲得此結(jié)構(gòu).

4 結(jié) 論

利用數(shù)值計(jì)算, 提出了一種手性等離激元吸收器. 它由經(jīng)典的三明治結(jié)構(gòu)組成, 其頂部諧振器是蜂窩狀排列的橢圓孔洞金薄膜, 橢圓孔洞在面內(nèi)具有傾斜角. 由于對(duì)稱性被打破, 結(jié)構(gòu)具有圓二色性.通過(guò)參數(shù)的優(yōu)化, 如孔洞的大小、頂層薄膜的厚度、傾斜角和電介質(zhì)層的厚度, 結(jié)構(gòu)的圓二色性CD值可達(dá)約0.8, 對(duì)應(yīng)光學(xué)g因子約為1.7. 其中,傾斜角對(duì)結(jié)構(gòu)的圓二色性影響最大. 在其圓二色值取得最大值的波段對(duì)其電場(chǎng)強(qiáng)度、表面電流分布和吸收密度進(jìn)行分析, 結(jié)果表明其手性吸收來(lái)自于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性破壞, 導(dǎo)致其近場(chǎng)增強(qiáng)和表面電荷分布等在LCP和RCP光照下出現(xiàn)差異. 我們對(duì)比了此結(jié)構(gòu)和其他在可見(jiàn)和近紅外工作的手性吸收器,對(duì)比結(jié)果顯示其仿真結(jié)果值優(yōu)于其他發(fā)表的文獻(xiàn).此結(jié)構(gòu)可通過(guò)現(xiàn)有技術(shù)大規(guī)模制備: 可利用納米球光刻和電子束蒸發(fā)等常規(guī)微納加工技術(shù)和設(shè)備制造所述結(jié)構(gòu). 所提出的結(jié)構(gòu)可用于手性光探測(cè)、生物傳感和制藥等領(lǐng)域.