一种手性金属纳米薄膜光学结构的制作方法

本发明属于光学领域，具体涉及一种手性纳米薄膜光学结构。

背景技术：

手性是指结构与其镜像不能重合的性质，手性结构普遍存在于大自然中，例如蛋白质、糖类化及dna等生物大分子，手性在生物化学和生命进化中起着关键的作用。手性根据其结构特点可以分为：内在手性和外在手性。内在手性即结构本身具有的手性，外在手性指结构与入射光一起构成的手性。

圆二色性(circulardichroism，cd)是研究手性化合物一个十分重要的手段。在手性分子非对称性的研究中，当左旋圆偏振光和右旋圆偏振光入射时,手性材料会呈现出不同的有效折射率且传播速度也不同。当超材料有极强的手性时,甚至会呈现出负折射率,负折射率材料也被称为手性超材料。利用负折射率材料可以对物体进行隐身,实现突破衍射极限的亚波长分辨率成像等等。这对于物理学、工程学、光学和材料学等领域的研究有可能产生重大的影响。

圆二色性是指传输系统对沿不同偏振方向入射的电磁波表现出不同的透射特性。如图1所示，图1为现有技术中的圆二色性的原理示意图。对于一个传输系统a来说，从系统a正面入射的左旋光(leftcircularlypolarized，lcp)经过系统a后，接收到的左旋光的透射率为t--，从系统a正面入射的右旋光(rightcircularlypolarized，rcp)经过系统a后接收到的右旋光的透射率为t++。其中下标“-”表示为左旋光，“+”表示为右旋光。则对于系统的圆二色性可以表示为：

cd＝t++-t--

其表示的物理意义如图1所示，左旋光和右旋光经过系统a后的透射率是不相同的。

因此，如何提出一种圆二色性信号强烈的手性金属纳米薄膜光学结构成为研究人员重点研究问题。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种手性金属纳米薄膜光学结构。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明实施例提供了一种手性金属纳米薄膜光学结构，包括：金属膜21、以及位于所述金属膜上的“u”型缝和横缝。

在本发明的一个实施例中，所述金属薄的厚度取值范围为20nm～100nm。

在本发明的一个实施例中，所述“u”型缝包括左臂、右臂、下臂；所述左臂、所述右臂、所述下臂的长度取值范围均为100nm～300nm。

在本发明的一个实施例中，所述左臂、所述右臂、所述下臂的宽度均相等。

在本发明的一个实施例中，所述左臂、所述右臂、所述下臂的宽度取值范围均为20nm～100nm。

在本发明的一个实施例中，所述“u”型缝与所述横缝之间的间隔取值范围为30nm～50nm。

在本发明的一个实施例中，所述金属膜为au薄膜。

在本发明的一个实施例中，所述金属膜为矩形结构。

在本发明的一个实施例中，所述横缝为“一”字形横缝。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明通过设计一种“u”型缝和横缝组合的纳米薄膜结构，使得该薄膜结构的圆二色性得到很大增强。

附图说明

图1为现有技术中的圆二色性的原理示意图；

图2a为本发明实施例提供的一种手性金属纳米薄膜光学结构示意图；

图2b为本发明实施例提供的另一种手性金属纳米薄膜光学结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种手性金属纳米薄膜光学结构的“一”字形横缝对圆二色谱的影响示意图；

图4为本发明实施例提供的一种手性金属纳米薄膜光学结构的u”型缝左臂长度不同时的电荷分布示意图；

图5为本发明实施例提供的一种手性金属纳米薄膜光学结构的左臂长度对圆二色谱的影响示意图；

图6为本发明实施例提供的一种手性金属纳米薄膜光学结构的“u”型缝右臂长度不同时的电荷分布示意图；

图7为本发明实施例提供的一种手性金属纳米薄膜光学结构的右臂长度对圆二色谱的影响示意图；

图8为本发明实施例提供的一种手性金属纳米薄膜光学结构的边长对圆二色谱的影响示意图；

图9为本发明实施例提供的一种手性金属纳米薄膜光学结构的入射角度对圆二色谱的影响示意图；

图10为本发明实施例提供的再一种手性金属纳米薄膜光学结构示意图；

图11为本发明实施例提供的再一种手性金属纳米薄膜光学结构的横缝对圆二色谱的影响示意图；

图12为本发明实施例提供的又一种手性金属纳米薄膜光学结构示意图；

图13为本发明实施例提供的又一种手性金属纳米薄膜光学结构的横缝对圆二色谱的影响示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

请同时参见图2a和图2b，图2a为本发明实施例提供的一种手性金属纳米薄膜光学结构示意图；图2b为本发明实施例提供的另一种手性金属纳米薄膜光学结构示意图。一种手性金属纳米薄膜光学结构，包括：金属膜21、以及位于所述金属膜21上的“u”型缝22和横缝23。

本发明实施例，制备了一种手性金属“u”型纳米薄膜结构，通过在该薄膜结构上添加一个横缝结构使得纳米薄膜结构的圆二色性得到很大的增强。

实施例二

本实施例在上述实施例的基础上，重点对手性金属纳米薄膜光学结构以及性能进行了详细描述。

具体地，一种手性金属纳米薄膜光学器件，包括金属膜21、以及位于所述金属膜21上的“u”型缝22和横缝23。

在一个具体实施例中，所述金属薄21的厚度取值范围为20nm～100nm。

在一个具体实施例中，所述“u”型缝22包括左臂、右臂、下臂；所述左臂、右臂、下臂的长度取值范围均为100nm～300nm。

需要说明的是，本发明实施里中出现的左、右、上、下均以“u”型缝作为参照。

在一个具体实施例中，所述左臂、所述右臂、所述下臂的宽度均相等。

在一个具体实施例中，所述左臂、所述右臂、所述下臂的宽度不相等。

在一个具体实施例中，所述左臂、所述右臂、所述下臂的宽度取值范围均为20nm～100nm。

在一个具体实施例中，所述“u”型缝22与所述横缝23之间的间隔取值范围为30nm～50nm。

在一个具体实施例中，所述横缝23为“一”字形横缝。

在一个具体实施例中，所述金属膜21为au薄膜。

在一个具体实施例中，所述金属膜21为矩形结构。所述金属膜21具有第一边长px和第二边长py，所述第一边长px和所述第二边长py的大小范围均为400nm～1000nm。

请再次参见图2a和图2b。在一个具体实施例中，设计了带有“u”型缝的au薄膜，所述第一边长px和所述第二边长py均为500nm；所述“u”型缝的所述左臂的长度l1、所述右臂的长度l2、所述下臂的长度l3均为200nm；所述左臂、所述右臂、所述下臂的宽度w均为40nm；所述au薄膜的厚度g为30nm。

随后，在“u”型缝22au薄膜的基础上，增加了”一”字形横缝，构成如图2b所述的au薄膜，其参数为：所述第一边长px和所述第二边长py均为500nm；所述“u”型缝22的所述左臂的长度l1、所述右臂的长度l2、所述下臂的长度l3均为200nm；所述”一”字形横缝的长度l4为180nm；所述左臂、所述右臂、所述下臂的宽度w和所述”一”字形横缝的宽度w1均为40nm；所述au薄膜的厚度g为30nm。

圆偏振光在z-x平面内，左旋光和右旋光均沿着x和z的负方向以45°角倾斜入射到图2a和图2b的两种薄膜上。

请参见图3，图3为本发明实施例提供的一种手性金属纳米薄膜光学结构的”一”字形横缝对带“u”型缝的手性金属纳米薄膜对圆二色谱的影响示意图。从图中可以看出，添加所述”一”字形横缝前，在波长λ＝590nm,740nm,860nm,960nm,1690nm处圆二色谱依次为0.6％，8％，8％，4.8％，12％。当添加所述”一”字形横缝后在波长λ＝590nm,760nm,910nm,1020nm,1710nm处圆二色谱依次为3％，14.9％，24.6％，12.7％，12.5％。

在添加所述”一”字形横缝后，金属薄膜上的电偶极子和磁偶极子共同作用，圆二色谱信号较之前均得到了显著增强，其原因是所述”一”字形横缝的添加改变了原来“u”型金属薄膜上的电流流向，在所述”一”字形横缝处出现了磁偶极子。

请参见图4，图4为本发明实施例提供的一种手性金属纳米薄膜光学结构的u”型缝左臂长度不同时的电荷分布示意图。将所述左臂的长度l1依次从200nm减少为180nm、160nm，所述”一”字形横缝保持不变，形成圆二色谱图。

请参见图5，图5为本发明实施例提供的一种手性金属纳米薄膜光学结构的左臂长度对圆二色谱的影响示意图。随着l1变小，modei蓝移，圆二色谱信号的强度在增大。因为modei是所述由“u”型缝22的左右两个臂长分别形成的磁偶极子形成的，减小l1，由所述左臂形成的磁偶极子减弱，因此出现蓝移；而且由于光是沿着x负方向斜入射，在减小l1的同时，会增大结构在水平方向上的不对称性，所以圆二色谱信号的强度会增大。

modeii的峰在蓝移且圆二色谱信号的强度在减小。因为modeii是由所述“u”型缝22上等效形成的电偶振荡形成的，减小l1，电偶极子减小，因此出现蓝移。

请参见图6，图6为本发明实施例提供的一种手性金属纳米薄膜光学结构的“u”型缝右臂长度不同时的电荷分布示意图。将所述右臂的长度l2依次从200nm减少为180nm、160nm，所述”一”字形横缝保持不变，形成圆二色谱图。

请参见图7，图7为本发明实施例提供的一种手性金属纳米薄膜光学结构的右臂长度对圆二色谱的影响示意图。随着l2变小，modei蓝移，圆二色谱信号的强度在减小。因为modei是由所述“u”型缝22的左右两个臂长分别形成的磁偶极子形成的，减小l2，由所述右臂形成的磁偶极子减弱，因此出现蓝移；而且由于光是沿着x负方向斜入射，在减小l2的同时，会减小结构在水平方向上的不对称性，所以圆二色谱信号的强度会减弱。

modeii的峰在蓝移且圆二色谱的强度在增强。因为modeii是由所述“u”型缝22上等效形成的电偶振荡形成的，减小l2，电偶极子减小，因此出现蓝移。

请参见图8，图8为本发明实施例提供的一种手性金属纳米薄膜光学结构的边长对圆二色谱的影响示意图。图中，p＝px＝py。依次将带“u”型缝的手性金属纳米薄膜光学结构的边长改为510nm、500nm、490nm，形成圆二色谱图。从图中可以看出，随着p变小，modei蓝移，圆二色谱信号的强度在增强；modeii蓝移，且圆二色谱信号的强度在增强。

请参见图9，图9为本发明实施例提供的一种手性金属纳米薄膜光学结构的入射角度对圆二色谱的影响示意图。图中θ表示电磁波的入射角度。依次将电磁波的入射角度改调整为60°、45°、30°，形成圆二色谱图。从图中可以看出，随着θ变小，modei蓝移，圆二色谱信号的强度位于入射角度为60°和45°的圆二色谱信号强度之间；modeii蓝移，且圆二色谱信号的强度在增强。

请参见图10，图10为本发明实施例提供的再一种手性金属纳米薄膜光学结构示意图。图中横缝为变形缝隙结构，其中，所述变形横缝两条长边呈圆弧形，且任一长边的圆心位于所述另一条长边一侧。该带“u”型缝的手性金属纳米薄膜的参数为：所述第一边长px和所述第二边长py均为500nm；所述“u”型缝22的所述左臂的长度l1、所述右臂的长度l2、所述下臂的长度l3均为200nm；所述变形横缝的长度l4为180nm；所述左臂、所述右臂、所述下臂的宽度w以及所述变形横缝宽度最宽的部分w1均为40nm。

请参见图11，图11为本发明实施例提供的再一种手性金属纳米薄膜光学结构的横缝对圆二色谱的影响示意图。从图中可以看出，在添加所述变形横缝后，金属薄膜上的电偶极子和磁偶极子共同作用，圆二色谱信号较之前均得到了显著增强，其原因是所述变形横缝的添加改变了原来“u”型金属薄膜上的电流流向，在所述变形横缝处出现了磁偶极子。

请参见图12，图12为本发明实施例提供的又一种手性金属纳米薄膜光学结构示意图。图中横缝为另一种变形缝隙结构，其中，所述变形横缝两条长边呈圆弧形，且任一长边的圆心位于另一条长边圆心相反一侧。该带“u”型缝的手性金属纳米薄膜的参数为：所述第一边长px和所述第二边长py均为500nm；所述“u”型缝22的所述左臂的长度l1、所述右臂的长度l2、所述下臂的长度l3均为200nm；所述变形横缝的长度l4为180nm；所述左臂、所述右臂、所述下臂的宽度w为20nm，和所述变形横缝的第一宽度w2为20nm，第二宽度w3为50nm。所述第一宽度为所述变形横缝宽度最窄的部分；所述第二宽度为所述变形横缝宽度最宽的部分。

请参见图13，图13为本发明实施例提供的又一种手性金属纳米薄膜光学结构的横缝对圆二色谱的影响示意图。从图中可以看出，在添加所述变形横缝后，金属薄膜上的电偶极子和磁偶极子共同作用，圆二色谱信号较之前均得到了显著增强，其原因是所述变形横缝的添加改变了原来“u”型金属薄膜上的电流流向，在所述变形横缝处出现了磁偶极子。

本发明实施例通过结构，可以达到以下有益效果：

1.本发明实施例通过在u型纳米薄膜的基础上，添加了一个横缝结构，使得薄膜的圆二色性得到了很大的增强。

2.本发明实施例操作简单，易于实现。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。