[发明专利]一种基于硅十字架二聚体的单向性光学纳米天线

说明书

本发明涉及一种光学纳米天线，具体涉及一种基于硅十字架二聚体的单向性光学纳米天线，包括两个对称分布的十字架，十字架的材质为硅，两个十字架之间的距离D为5 nm；十字架的截面尺寸L1为200nm，L2为150 nm，W1为60nm，W2为90nm，其高度H为90 nm。这种结构会激发出不同的表面等离子体共振模式：电偶极、电四极共振和磁偶极、磁四极共振；通过多级分解的方法，分析了纳米天线中不同共振模式的响应对散射特性的影响，这些共振模式的耦合作用导致了高介电材料硅十字架二聚体结构磁热点的产生和远场单向性散射；还论证了在电、磁偶极源辐射下对纳米天线不同共振模式响应特性的影响并有一定的调制作用。

技术领域：

本发明涉及一种光学纳米天线，具体涉及一种基于硅十字架二聚体的单向性光学纳米天线。

背景技术：

近年来，光和纳米尺度物质的相互作用在基础理论和实验方面的研究都得到了迅速发展，随着纳米光学的不断成熟，纳米科学可作为一种新的技术控制和利用纳米量级的物质。而光学纳米天线可以超过衍射极限，在纳米量级控制光场。纳米天线是一种可将近场局域光场和远场辐射光场进行高效自由转换的纳米尺度装置，能够实现集成光学器件上光子信息传输，因此纳米光学天线在太阳能电池、量子信息技术、光学和生物感测等领域有着广泛应用，可知设计出拥有良好远场特性的纳米光学天线具有非常重要的研究价值。纳米光学天线是金属纳米结构中一个重要的研究方向，然而由于金属材料在可见光区域存在高损耗，只有很少一部分基于局域表面等离激元的应用在实际中被实现。同金属纳米材料相比，高折射率电介质纳米颗粒在可见光区域的损耗非常小，且能够产生金属材料所不具备的电磁类型光学共振，这些优点促使对高介电纳米天线散射特性的研究受到广泛关注。

Kerker等人通过研究磁性纳米材料的光散射效应，发现纳米颗粒所支持的电磁模式能够实现对光散射方向的控制。在光与物质的相互作用中，由于磁偶极子跃迁和电偶极子跃迁相比有几个数量级的差别，因此磁场效应常常被忽略。然而光学磁共振特性在光处理中起着越来越重要的作用，通过构建合理结构可实现纳米材料在可见、近红外以及微波波段的零后向散射。另外，增强磁偶极子发射在纳米激光器、荧光增强和传感器等领域有着广阔的应用前景。Crozier等人从实验和仿真两方面研究了棒状、圆盘状、三角形等不同形状、不同结构、不同材料的光学纳米天线在中红外波段的局域场增强特性。研究发现，场增强最明显的是棒状纳米光学天线，并且由于其非对称的形状特性，棒状纳米天线的光学特性不同于其他的光学纳米天线。将该棒状结构复合十字架二聚体纳米结构应用于增强磁偶极子发射具有很好的创新性。

发明内容：

本发明的目的是提出了一种新颖的可用于调节远场方向特性的光学微纳天线结构，该纳米天线是由高介电材料硅十字架二聚体构成的，在入射平面波的激发下，波矢平行于x轴方向，偏振平行于y轴方向。这种结构是一类既支持电共振又支持磁共振的结构，通过多级分解的方法，分析了纳米天线中不同共振模式的响应对散射特性的影响，这些共振模式的耦合作用导致了高介电材料硅十字架二聚体结构磁热点的产生和远场单向性散射。本发明还论证了在电、磁偶极源辐射下对纳米天线不同共振模式的响应特性的影响并有一定的调制作用，为实现远场单向性可控的纳米天线提供了坚实的理论基础。

本发明采用的技术方案为：一种基于硅十字架二聚体的单向性光学纳米天线，其特征在于：包括两个对称分布的十字架，所述十字架的材质为硅，两个十字架之间的距离D为3-8nm；所述十字架的截面尺寸中横杆长度L1为180-230nm，纵杆长度L2为130-170nm，横杆宽度W1为45-70nm，纵杆宽度W2为75-115nm，厚度H为70-110nm。

进一步地，所述两个十字架之间的距离D为5nm；所述十字架的截面尺寸L1为200nm，L2为150nm，W1为60nm，W2为90nm，厚度H为90nm。

进一步地，所述硅十字架纳米天线的背景折射率为常数1，十字架二聚体在外场的激发下，产生局域表面等离子体共振现象。