一种双蝶形银纳米光学天线的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及纳米光学天线领域，更具体的说，是涉及一种双蝶形银纳米光学天线。
【背景技术】
[0002] 金属纳米光学天线是一种可以将光波高效耦合到亚波长尺度的金属纳米光子器 件，它是利用金属纳米粒子的局域表面等离激元（Localized Surface Plasmons，LSPs)共 振这一独特的光学性质实现了传播场与局域场的相互转换。当光波与金属纳米粒子耦合 时，其粒子中的自由电子会发生集体振荡，当电子的振荡频率与入射光波的频率一致时就 会产生LSPs共振，共振时能量被束缚在金属表面附近，不仅实现了传播场与局域场的相互 转换，而且还激发出更强的局域电场。基于LSPs的金属纳米光学天线对电磁场具有场约 束、场增强以及重定向等作用，这些作用使金属纳米光学天线在众多领域颇受青睐，如太阳 能利用、生物化学检测器、高分辨率成像、癌症治疗等。但现有的光学天线大多不够稳定，且 产生的场强不足，在实际使用过程中造成诸多不便。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种双蝶形银纳米光学天线， 本发明基于时域有限差分（Finite Difference Time Domain，FDTD)算法和局域表面等 离激元理论分析了双蝶形银纳米光学天线的不同参数大小如天线臂之间的夹角、天线臂长 度和不同的入射光极化方向对近场电场分布及近场场增强特性的影响，从而设计出工作在 光学频段、具有较高局域场增强以及对入射光极化方向具有一定稳定性的金属纳米光学天 线。
[0004] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
[0005] -种双蝶形银纳米光学天线，包括设置在衬底上表面的天线臂，所述衬底由玻璃 介质构成，天线臂设置有四个，天线臂分别为相同的三角形结构，所述天线臂两两相对称 的设置为双蝶形，所述天线臂的长度范围为50-100nm，所述相邻天线臂之间的角度范围为 15。一85° 〇
[0006] 所述衬底的规格尺寸为500nmX500nmX50nm。
[0007] 所述衬底的介电常数为1. 5。
[0008] 所述天线臂的厚度为40nm〇
[0009] 所述天线臂由银纳米材料构成。
[0010] 与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
[0011] 1.在垂直于衬底下表面的方向上施加激励源，设定天线臂长度为80nm，厚度为 40nm，天线臂之间的夹角由15°逐渐递增到85°，依据上述参数设定对本发明天线进行仿 真并选择天线结构上表面的中心点为观测点，记录该点处的归一化电场强度，可得到本发 明天线具有很强的电场增强效应，最大场增强出现在夹角为85°时，可以达到122. 2v/m; 随着夹角的减小，电场增强的分布区域逐渐由天线中心转移到了天线边缘的四个角上，同 时天线上表面中心点处的共振电场强度随之减小，由夹角85°时的122. 2v/m减小到了夹 角15°时的2. 4v/m;另外天线臂之间的耦合使得天线臂之间的间隙处也出现了电场增强。
[0012]2.在垂直于衬底下表面的方向上施加激励源，设定天线臂之间的夹角为60°，厚 度为40nm，天线臂长度由50nm逐渐增大到100nm，增加间隔为10nm，依据上述参数设定对本 发明天线进行仿真并选择天线结构上表面的中心点为观测点，记录该点处的归一化电场强 度，通过仿真可得到随着天线臂臂长的增加，共振时的共振波长随之近似线性的增加，共振 时达到的归一化电场强度总体上有增大的趋势。
[0013]3.设置天线臂长度80nm，厚度40nm，天线臂之间的夹角为60°，激励源所释放的 入射光极化方向在衬底水平面上，与其水平方向的夹角巾分别取值0°、30°、45°、60°、 90°，根据不同的巾对本发明天线进行仿真后得知，在不同极化方向的入射光作用下，本 发明天线都会产生较强的电磁场增强，对入射光极化方向的变化表现出一定的稳定性。
【附图说明】
[0014] 图1是本发明的俯视结构示意图。
[0015] 图2是本发明的侧视结构示意图。
[0016] 图3(a)-图3(f)是本发明天线臂之间的夹角变化对电场分布的影响效果图。
[0017] 图4是天线臂间夹角变化对共振电场强度的影响示意图。
[0018] 图5是天线臂臂长长度变化对共振电场强度的影响示意图。
[0019] 图6是天线臂臂长与共振波长的关系示意图。
[0020] 图7是天线臂臂长与共振电场强度的关系示意图。
[0021] 图8(a)-图8(e)是激励源所释放入射光的极化方向对电场分布的影响效果图
[0022] 附图标记：1_衬底2-天线臂3-激励源
【具体实施方式】
[0023] 下面结合附图对本发明作进一步的描述：
[0024] 如图1所示，一种双蝶形银纳米光学天线，包括衬底1和天线臂2,天线臂2设置 于衬底1的上表面，衬底1的规格尺寸为500nmX500nmX50nm，衬底1材料为玻璃介质，介 电常数为1.5,天线臂2设置有四个，均由银纳米材料构成，四个天线臂2均为相同的三角形 结构，天线臂2两两相对称的设置为双蝶形，所述天线臂的长度范围L为50-100nm，所述相 邻天线臂之间的角度范围 0为15° -85°，天线臂2的厚度为40nm。
[0025] 通过时域有限差分算法和局域表面等离激元理论仿真分析本发明光学天线特 性：
[0026] 如图2所示，激励源3采用平面波，沿垂直于衬底1的下表面方向垂直入射到天线 臂2,计算波长范围为500nm-2000nm，激励源3所释放入射光波长为800nm，入射光幅值为 lv/m，入射光的极化方向在衬底1水平面上，与其水平方向的夹角为<i>。计算中采用银材料 作为金属介质，为了更加准确地拟合可见光和近红外波段银的介电常数，我们选择修正的 Drude色散模型：
[0027]
[0028] 其中，e"为频率接近无穷大时的介电常数，《p为等离激元的震荡频率，Y为碰 撞频率；根据光学手册上的数据进行拟合计算，当e" = 3. 7、《p= 1. 38X 10 16rad/s、f = 2. 37X1013Hz时可以准确的反应银（Ag)的介电常数。
[0029] 采用时域有限差分算法，计算区域采用真空的背景环境，计算区域设置为 2000 X 2000 X 2000nm3,超出计算区域，采用完全匹配层（PML)，来吸收外来波和避免非电磁 反射。在网格设置中，为了减小计算时间同时考虑到计算的准确性，本实施例采用自适应网 格加密。
[0030] 为了研宄天线臂2之间的夹角对近场电场分布的影响，设定入射光极化方向为水 平方向、天线臂长度L = 80nm、厚度40nm不变，天线臂之间的夹角角度0由15°逐渐递增 到85°。依据上述参数的设定对本发明双蝶形银纳米光学天线进行仿真并选择天线结构上 表面的中心点为观测点，记录该点处的归一化电场强度，仿真