物理学院朱星课题组在纳米结构中的法诺共振研究取得进展

物理学院近场光学课题组朱星教授与美国Rice大学合作,首次在对称破缺的银纳米圆盘结构中观测到可见光波段的法诺共振现象,并以理论分析证实了这种表面等离激元的共振模式。2011年9月14日,这项题为Removing a Wedge from a Metallic Nanodisk Reveals a Fano Resonance的研究成果以快报(Letter)形式在线发表在国际知名期刊《纳米快报》上 [Z.Y. Fang, N. Halas, P. Nordlander, Xing ZHU等, Nano Letters, 2011, DOI:10.1021/nl202804y, http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl202804y]。审稿人认为这是在一种简单而巧妙的银纳米结构中观测到法诺共振(Fano resonance),并且得到理论验证,是一项非常出色的研究结果。


表面等离激元共振(SPP)现象是指在金属与介电材料界面产生的电子集体共振现象。近年来有关SPP在纳米光学中应用,如纳米波导、聚焦、粒子捕获等成为研究热点。研究人员虽然已经在纳米结构中观察到法诺共振现象,但是这些SPP结构都过于复杂,制备难度大。朱星课题组设计了一种平面纳米结构,在单一的金属纳米薄盘中以“切蛋糕”的方式演示了法诺共振现象的存在。他们使用电子束光刻方法,成功地在直径为160纳米、厚度为30纳米的银纳米盘上,切割出30˚~120˚不等的切角,并且精密测量到消光光谱中波长为450纳米的法诺共振峰。在这种结构中,法诺共振峰来自于纳米盘本身的SPP和切角边缘的四级共振之间耦合杂化现象。运用半经典的解析方法,他们的模拟计算结果证实了由于表面等离激元的偶极模式与四极模式的耦合杂化,产生相应的法诺共振峰及不对称的峰形。


金属纳米结构中的法诺共振在光传感器、光开关、表面等离激元激射的方面具有重要的应用前景。在大多数情况下,具备法诺共振的表面等离激元纳米结构非常复杂,并且需要多重加工步骤。而此项研究成果显示了在简单纳米结构中也可以观测到法诺共振现象,因此为法诺共振的实际应用提供了一种全新思路。


朱星课题组近年来从事近场光学技术对表面等离激元的表征系列工作。这项工作是方哲宇博士在朱星教授的指导下,于2011年在《纳米快报》上发表的第三篇论文;前两篇有关对称破缺的纳米围栏中SPP聚焦、银纳米线与纳米天线的SPP耦合的论文分别发表在Nano Letters 11, 893 (2011)-Plasmonic Focusing in Symmetry Broken Nanocorrals ,和Nano Letters 11, 1676 (2011)- Plasmonic Coupling of Bow Tie Antennas with Ag Nanowire上。

 

图为纳米盘的偶极模式与孔洞结构模式的杂化过程。右图为等离激元的能级图,分别显示“亮模式”与“暗模式”。



这项研究工作由北京大学、国家纳米科学中心和美国Rice大学共同完成,得到了国家重大科学研究计划、国家自然科学基金委员会、北京大学人工微结构和介观物理国家重点实验室的资助。



法诺共振: 在某个物理系统中,当一个分立态能级与连续态能带相重叠时, 会出现量子干涉, 在确定的光学频率出现零吸收现象,使光谱呈非对称线型, 这一效应称为法诺共振(U. Fano, Phys. Rev. , 1961, 124: 1866)。

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