微納結(jié)構(gòu)中的Fano共振和結(jié)構(gòu)色特性研究.pdf

1、當(dāng)材料的尺寸進(jìn)入微納尺度后，所形成的微納結(jié)構(gòu)處于微觀(guān)分子和宏觀(guān)物質(zhì)的過(guò)渡區(qū)域，出現(xiàn)很多新奇效應(yīng)，例如，表面效應(yīng)、局域場(chǎng)效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀(guān)量子隧道效應(yīng)等。這些效應(yīng)使得微納材料表現(xiàn)出特異的力、熱、光、電、磁特性。對(duì)于微納材料新奇特性的研究，是光物理研究的重要方向之一，同時(shí)也進(jìn)一步促進(jìn)了微納材料的發(fā)展。微納材料根據(jù)形成方式的不同，可以分為兩類(lèi)，一類(lèi)為人工結(jié)構(gòu)材料，例如通過(guò)光刻的方式制備的超材料（metamaterials）以及光子晶體(

2、photonic crystal)等。這些人工材料中存在一類(lèi)新的共振形式，叫做Fano共振。另一類(lèi)為，自然界中存在的天然結(jié)構(gòu)材料，它們?cè)谖⒂^(guān)上具有周期性結(jié)構(gòu)，引起特異的光電性質(zhì)，例如某些蝴蝶的翅膀、孔雀羽毛的顏色等，其顏色不是體內(nèi)化合物所引起的，稱(chēng)為結(jié)構(gòu)色。
　　本文主要研究了微納結(jié)構(gòu)的人工材料中Fano共振效應(yīng)和自然材料中蝴蝶翅膀所存在具有虹彩效應(yīng)的結(jié)構(gòu)色。本文主要從以下五個(gè)方面展開(kāi)了研究。
　　第一章，介紹了金屬表面等離

3、子體、超材料、Fano共振、顏色和結(jié)構(gòu)色的概念，概述了這些研究方向的背景知識(shí)和主要研究進(jìn)展。
　　第二章，針對(duì)微納人工結(jié)構(gòu)中觀(guān)察到的Fano共振，采用MATLAB軟件進(jìn)行理論計(jì)算和擬合，對(duì)Fano共振和Lorentz共振之間的參數(shù)關(guān)系和互相轉(zhuǎn)換做了分析研究，揭示出Fano共振的頻率和線(xiàn)寬跟Lorentz振子的耦合系數(shù)之間的關(guān)系。當(dāng)Lorentz振子的本征頻率發(fā)生變化時(shí)，F(xiàn)ano參數(shù)也發(fā)生明顯的轉(zhuǎn)換。研究結(jié)果表明通過(guò)在超材料和金屬納

4、米材料中對(duì)Lorentz共振的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)控制Fano共振的產(chǎn)生，相關(guān)的研究成果已在Optical and Quantum Electronics發(fā)表。
　　第三章，提出基于金屬銀材料的月牙橢圓盤(pán)結(jié)構(gòu)(Nano-crescent elliptical disk，NCED)模型，采用商用軟件COMSOL進(jìn)行模擬，觀(guān)察到局域電場(chǎng)增強(qiáng)的多極Fano共振。研究橢圓結(jié)構(gòu)幾何尺寸和周?chē)殡姵?shù)的改變對(duì)多極Fano共振的影響。對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析

5、和擬合，結(jié)果顯示多極模式的局域電場(chǎng)增強(qiáng)因子與橢圓盤(pán)的短軸和結(jié)構(gòu)的環(huán)境折射率成線(xiàn)性函數(shù)關(guān)系。多極Fano共振的研究進(jìn)一步促進(jìn)了多極Fano共振的模擬、非線(xiàn)性光學(xué)響應(yīng)、生物化學(xué)傳感和光子器件的發(fā)展，相關(guān)的研究成果已經(jīng)撰寫(xiě)成文，已投EPL。
　　第四章，選取綠帶翠鳳蝶為測(cè)量樣品，研究了其閃亮后翅結(jié)構(gòu)色的產(chǎn)生機(jī)理和偏振特性。借助電子掃描電鏡和宏觀(guān)變角度測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)它的虹彩色進(jìn)行光譜測(cè)量，結(jié)構(gòu)分析和理論計(jì)算，討論了蝴蝶翅膀中微納結(jié)構(gòu)的反射、