华中科大Nano Lett.:臧剑锋团队提出面外耦合设计的柔性等离激元超表面


【引言】

近年来,表面等离激元引起了人们极大的研究兴趣。在光与物质的相互作用中,表面等离激元对光场有很强的限制和增强作用,因此在生物检测、等离激元超表面,表面增强拉曼散射和表面增强光致发光等领域有着巨大的应用前景。在这些应用场景中如果能实现可调节的效果,将会使器件具有更多的功能性和重构性。这就对等离激元的共振特性的调控手段提出了要求。目前已有方式包括改变材料、结构单元的尺寸和间隔。还可以通过等离激元材料周围的介电常数,比如采用不同折射率的液体包裹、引入相变材料等。然而这些手段不能对等离激元的共振特性提供可逆的动态调控。目前已知的动态调控手段可以采用电压调控液晶从而改变等离激元材料周围介质的介电常数的方式,另外的,石墨烯这种特殊的等离激元材料,其共振特性本身就可以通过电压调节费米能级实现。除此之外,还可以通过柔性材料来提供连续的动态调控。柔性材料可以实现大的可逆的变形,大多数文章采用柔性基底调控结构单元间位置,通过调节平面内的耦合实现调节。

【成果介绍】

近日,华中科技大学软纳米材料与器件实验室的臧剑锋教授团队在柔性等离激元超表面领域取得进展,在美国化学学会期刊Nano Letters上发表了题为“Out-of-plane Designed Soft Metasurface for Tunable Surface Plasmon Polariton”的文章。报道了一种基于面外耦合设计的柔性等离激元超表面。研究者采用两层的金属纳米条带的设计,对面外耦合的机理进行了研究,并通过柔性材料来动态调控等离激元共振峰的位置。一般来说,等离激元共振峰的位置会随着周期的增加而向长波长方向移动。而在这种面外耦合的结构中,研究者首先研究了分离高度对共振峰位置的影响,发现随着分离高度的减少,共振峰会发生蓝移。在拉伸时,这个结构将会发生复杂的形变过程,即周期的增加以及分离高度的减小。这两种变化对共振峰的位置会有相反的影响。研究者通过实验和仿真发现,在拉伸情况下,随着应变的增加,共振峰的位置最终会发生红移,说明在这个过程中周期对共振峰的位置起着主导作用,实现了等离激元共振峰位置的动态可调。这种面外耦合设计相比于平面设计的等离激元超表面可以提供更强的场增强效果和多样的调节方式,在生物检测、表面增强拉曼散射等方向有着重要的应用前景。该项工作的第一作者为直博生刘欣,臧剑锋教授为通讯作者。

【图文导读】

1:面外耦合设计的等离激元超表面

a. 柔性等离激元超表面的结构示意图。

b. 周期为587 nm,分离高度为53 nm的超表面的SEM和AFM的表征图。其中上、下条带宽度分别为320和267 nm。金条带厚度为60 nm。

c. 周期为802 nm,分离高度为55 nm的超表面的SEM和AFM的表征图。其中上、下条带宽度分别为470和332 nm。金条带厚度为60 nm。所有比例尺为1 μm。

2:分离高度对反射峰位置的影响

a. 周期为587 nm,分离高度分别为21 nm和53 nm下的实验和仿真的反射谱。

b. 周期为802 nm,分离高度分别为23 nm和55 nm下的实验和仿真的反射谱。

c. 周期为802 nm,分离高度为23 nm的超表面的共振峰位置处的电场强度图

d. 周期为802 nm,分离高度为23 nm的超表面的共振峰位置处的电荷分布图。

3:面内耦合和面外耦合设计的结构对比

a. 周期为800 nm,占空比为5的基于平面内耦合设计的结构的示意图以及在共振峰位置(1064 nm)处的场强分布。

b. 周期为800 nm,占空比为5的基于面外耦合设计的结构的示意图以及在共振峰位置(849 nm)处的场强分布。

c. 图b中的结构在不同分离高度下的仿真的反射谱。

d. 最大的场增强因子以及耦合强度与分离高度的关系。

4:拉伸应变对反射谱的影响

a. 周期为802 nm,分离高度为55 nm的超表面在15%应变下的表面的力的分布。

b. 周期为587 nm,分离高度为21 nm的超表面在不同应变下的实验观测到的反射谱。

c. 周期为587 nm,分离高度为53 nm的超表面在不同应变下的实验观测到的反射谱。

d. 周期为802 nm,分离高度为23 nm的超表面在不同应变下的实验观测到的反射谱。

e. 周期为802 nm,分离高度为55 nm的超表面在不同应变下的实验观测到的反射谱。

f. 周期为802 nm,分离高度为55 nm的超表面在不同应变下的仿真反射谱,其中五角星代表图e中的不同应变下的共振峰的位置。

5:入射光的角度对反射谱的影响

a-b. 周期为587 nm,分离高度为53 nm的超表面在不同入射角度下的实验反射谱。

c-d. 周期为802 nm,分离高度为55 nm的超表面在不同入射角度下的实验反射谱。

【小结】

本文通过理论仿真与实验展示了一个可以动态调控等离激元共振峰位置的超表面,其工作波长覆盖可见光到近红外波段。共振峰的位置可以通过改变分离高度和拉伸应变来调节。这种调节机制不仅仅适用于金属,也可以应用到一些其他的等离激元材料比如石墨烯和新兴的二维材料。这种面外耦合的相互作用丰富了通过耦合来调节等离激元特性的机理,为现有的等离激元器件的变革提供了有益的指导意义。本工作由国家自然科学基金,中组部千人计划以及华中科技大学支持。

文献链接: Out-of-Plane designed soft metasurface for tunable surface plasmon polariton (Nano Letters, 2017, DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b05190)

【课题组简介】

臧剑锋,华中科技大学光学与电子信息学院教授,博士生导师,入选中组部第五批“青年千人计划”和“华中科技大学鸟巢计划”,新加坡南洋理工大学电气与电子工程专业博士,曾先后在美国南卡罗莱纳大学和美国杜克大学从事博士后研究工作。课题组依托武汉国家光电实验室,以柔性纳米器件和新材料为核心,运用软物质技术和纳米技术,设计和制造具有非凡性能的柔性功能器件和系统,来应对面向软体机器人、柔性电子、光电子、能源和健康等领域的前沿与挑战。

本文由臧剑锋教授团队提供。

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