[发明专利]一种实现非辐射局域场的金属纳米结构及其制备方法

说明书

本发明公开了实现非辐射局域场的金属纳米结构及其制备方法，包含金属纳米结构蚀刻纳米压印模版、沉积金属、沉积四面体碳膜、形成七聚体结构等步骤。本发明基于柔性金属纳米手指有序阵列结构，构筑了以亚纳米级抗体大小的超小间隙的七聚体耦合结构，能够同时激发高阶模式和低阶模式，通过这两种光学模式在纵向远场辐射的共振相消，降低了辐射能量。

技术领域

本发明属于金属微结构技术领域，具体涉及一种金属纳米结构及其制备方法，以七聚体金属纳米手指为单元的有序阵列结构，通过调控七聚体中介电间隙的介电常数和厚度实现高阶和低阶光学共振模式的耦合，从而实现非辐射局域场的增强。

背景技术

基于金属微纳结构的表面等离激元共振模式的激发，入射光场与金属表面自由电子相互作用可产生增强的局域电磁场，此增强局域电磁场可提高附近光学过程的效率，如非线性增强等。这种等离激元增强的光-物质相互作用可以限制光超出衍射极限，这一显著特征十分适合用于制造各类的光学元件以及光学结构。

金属微纳结构的光学特征是由于发生了不同的共振模式所得到的光学响应，一般来说，可以被分为电偶极模式或磁偶极模式等低阶模式，及四级模式等高阶模式，每一种共振模式都有独特的光学性质，在散射、吸收和感应电场分布等方面有很大差异(Phys.Rev.E,2002,65(4),046609)。但是，金属微纳结构所产生的局域增强电磁场会向空间辐射能量，根据能量守恒定律，会产生一定的辐射能量损失。因此，如何在获得较强的局域电磁场同时，并能降低远场辐射损失，是金属微纳结构设计及应用的关键。

另外，在经典电动力学中，金属微纳结构中的光激发模式除了电多极子和磁多极子两种多极子之外，还存在着一种环形多极子，它是由振荡电流密度的径向分量产生的。磁环形偶极子是由位于赤道面上的多个磁偶极子首尾相接，产生的轴向上的环形偶极子。这可以进一步等效为沿着螺绕环的径向流动的电流，在环的子午面上形成首尾相接的等效磁偶极子，从而产生的轴向上的环形偶极子。而电偶极子则是对应于一对相反的电荷。在复杂的分子系统及超构材料中，分析光传输、反射和偏振现象时，如果不考虑动态环形响应，则是不完整的(Science,1997,275:1753)。

在介电结构中的光场模式中，通过同时激发高阶模式和低阶模式，并调控这两种模式的耦合，在共振条件下，由于两种模式在远场的相消干涉，降低了辐射损失，从而实现了非辐射的局域场。例如，在介质圆盘结构中，可以通过设计一定纵横比的圆盘结构，使得圆盘结构所同时激发的环形磁偶极子与电偶极子的出现的共振波长位置相互靠近，并且使两者的相位差正好为π，因为振荡的电偶极子和磁环形偶极子具有相同的能量辐射模式，而且电偶极子和环形磁偶极子的远场发射的偏振态是相同的，所以电偶极子和环形磁偶极子辐射的场可以实现相消干涉相互抵消，此时该激发光波段下，这两种模式出现的耦合导致系统的远场散射为零，这种情况下的光场模式共振可以视作一种非辐射能量“蓄水池”，可以极大地增加局域的光场能量。这种光学模式的共振可以用作在纳米激光器、传感器和数据存储设备等方面，同时光学模式的耦合使得人们更加关注电荷-电流源与其产生的远场特性之间的关系，并将其应用到多个涉及电磁相互作用的科学领域中，尤其是纳米光子学和等离激元中。

在上述介电结构中，虽然通过特定的结构设计，可同时激发环形磁偶极子与电偶极子这两种模式，并在共振波长激发下，实现对局域电磁场的非辐射特性调控。但是，由于介质对于入射光场的局域行较差，模式体积较大，能量不能有效汇聚，能量密度较低，这对于一些纳米级的光学相互作用来说，其局域电磁场相对较弱，光场能量利用率较低，大部分模式能量并不被纳米级光学过程所利用，使得介质结构附近纳米级光学过程增强的效率较低。