银纳米线表面等离激元的传播、辐射及增强发光的研究

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表面等离激元是金属-电介质界面处自由电子集体振荡的表面波,金属纳米结构上激发的表面等离激元具有突破衍射极限和局域场增强的特性。化学合成的银纳米线是表面等离激元的良好载体,支持多种表面等离激元模式,这些模式使表面等离激元表现出奇异的传播行为。不同模式可以通过激发光的偏振方向和模式转换进行控制。理解和控制这些模式对各种各样的纳米光子学应用是非常重要的。另一方面,银纳米线上的表面等离激元具有高度的局域场增强特性,能够提高发光材料的发光性能,这对于发光材料在纳米光子学器件方面的应用具有重要意义。本论文中主要进行了以下三方面的研究:  (1)通过量子点荧光成像技术研究了银纳米线-银纳米颗粒体系和银纳米线-银薄膜体系上表面等离激元的传播特性。在银纳米线-银纳米颗粒体系中,银纳米颗粒带来的对称性破缺导致了表面等离激元的场分布由对称性分布变为Z字形分布。其转换机制是:纳米颗粒在模式转换过程中起到对能量散射的作用,散射导致了波前的对称性的变化,从而实现了模式转换。在银纳米线-银薄膜体系中,银纳米线上的两个模式激发了薄膜上的表面等离激元,两个薄膜表面等离激元具有不同的传播方向,相互干涉形成了平行的表面等离激元波束。  (2)通过泄漏辐射成像和傅里叶成像方法研究了放在衬底上的银纳米线上的两个表面等离激元模式的泄漏辐射。通过不同偏振方向的激发光可以选择性激发两个模式,两个模式的辐射方向在傅里叶图像上能够清晰地分辨。在沿着银纳米线轴线方向,两个模式泄漏辐射的偏振方向与激发光的偏振方向是一致的。通过在银纳米线上沉积Al2O3薄膜或减小激发光的波长,两个模式的辐射角度和波矢都增大,而且纵模对Al2O3薄膜的厚度更加敏感。另外,通过分析泄漏辐射图像,得到了纵模的传播长度。随着激发光波长变短和Al2O3厚度增加,传播长度变短。这些研究表明,银纳米线上不同表面等离激元模式的泄漏辐射可以直接分辨并进行有效控制。  (3)研究了银纳米线对单层二硒化钨(WSe2)光致发光的增强。采用不同偏振方向的激光激发单独的WSe2和覆盖在银纳米线上的WSe2(Ag NW/Al2O3/WSe2复合结构),即采用平行于银纳米线的偏振和垂直于银纳米线的偏振,在两种情况下,银纳米线的存在明显增强了WSe2的光致发光强度,最大增强因子达到了105,而在平行于银纳米线的激发偏振下,获得的增强因子大于垂直于银纳米线的激发偏振情况。
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