[發(fā)明專利]金屬納米顆粒微納結(jié)構(gòu)及其間隙內(nèi)增強(qiáng)自發(fā)輻射的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811208252.8
• 申請(qǐng)日: 2018-10-17
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN109543220B
• 公開(kāi)（公告）日: 2023-09-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 鐘瑩;劉孟穎
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/23
• 分類號(hào): G06F30/23;G06F30/25
• 代理公司: 天津市北洋有限責(zé)任專利代理事務(wù)所 12201
• 代理人: 李素蘭

本發(fā)明公開(kāi)了一種金屬納米顆粒微納結(jié)構(gòu)及其間隙內(nèi)增強(qiáng)自發(fā)輻射的方法，包括金納米顆粒(1)、PMMA層(2)和金屬基底(3)，所述金納米顆粒(1)等間距排列置于PMMA層(2)上，并且所述分子或量子點(diǎn)輻射源(4)位于中心金納米顆粒的正下方；步驟1、利用有限元方法計(jì)算金基底上單個(gè)金納米顆粒的總輻射速率和遠(yuǎn)場(chǎng)輻射速率，選取合適的金納米顆粒半徑；步驟2、選用步驟1中的金納米顆粒的半徑，利用有限元方法計(jì)算每?jī)蓚€(gè)金納米顆粒間距逐漸增大時(shí)總輻射速率、遠(yuǎn)場(chǎng)輻射速率的變化，基于洛倫茲互易定理在MATLAB?COMSOL中計(jì)算輻射方向圖隨各金納米球間距變化的情況。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明既能增強(qiáng)分子或量子點(diǎn)輻射源的自發(fā)輻射速率，也能改變輻射方向。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及增強(qiáng)自發(fā)輻射技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及到一種金屬基底上的金屬納米顆粒新型微納設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及基于金屬納米顆粒的金屬納米間隙結(jié)構(gòu)內(nèi)增強(qiáng)自發(fā)輻射的方法。

背景技術(shù)

自發(fā)輻射是指在沒(méi)有任何外界的作用下，激發(fā)態(tài)原子自發(fā)地從高能級(jí)向低能級(jí)越遷，同時(shí)輻射出一個(gè)光子的過(guò)程。目前，基于金屬納米顆粒的金屬納米間隙結(jié)構(gòu)得到了廣泛的關(guān)注。在納米顆粒與金屬基底之間涂覆間隔層，這種結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)輻射效率、縮短熒光壽命、增強(qiáng)光致發(fā)光以及控制遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向等。輻射方向圖顯示了納米結(jié)構(gòu)的輻射方向，也反映了輻射強(qiáng)度的大小。調(diào)節(jié)納米結(jié)構(gòu)輻射方向常用的結(jié)構(gòu)有Yagi-Uda天線、周期性金屬槽、金納米棒、三角形金納米顆粒、核殼納米結(jié)構(gòu)和V型天線等。納米結(jié)構(gòu)增強(qiáng)點(diǎn)源的輻射速率有著重要的實(shí)用價(jià)值，在分子熒光傳感領(lǐng)域，可以提高熒光信號(hào)的量子產(chǎn)率。有些微納結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)單光子源的定向發(fā)射，甚至是中心發(fā)射，此時(shí)不需要數(shù)值孔徑很大的物鏡就能收集全部的光，將會(huì)實(shí)現(xiàn)球面波向平面波的轉(zhuǎn)化。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)及其存在的缺陷，本發(fā)明提出了一種金屬納米顆粒微納結(jié)構(gòu)及其間隙內(nèi)增強(qiáng)自發(fā)輻射的方法，不僅設(shè)計(jì)了五種金屬納米顆粒微納結(jié)構(gòu)，而且通過(guò)改變金屬基底上金屬納米顆粒的納米間隙，實(shí)現(xiàn)了分子或量子點(diǎn)輻射源自發(fā)輻射增強(qiáng)以及控制輻射方向。

本發(fā)明的一種金屬納米顆粒微納結(jié)構(gòu)，該微納結(jié)構(gòu)包括金納米顆粒1、PMMA層2和金屬基底3，所述金屬納米顆粒1放置在PMMA層2上，所述PMMA涂覆在所述金屬基底3上，分子或量子點(diǎn)輻射源4被置于所述PMMA層2中間，所述金納米顆粒1等間距排列置于PMMA層2上，并且，所述分子或量子點(diǎn)輻射源源4位于中心金納米顆粒的正下方。

設(shè)計(jì)不同數(shù)量的金納米顆粒1作用在分子或量子點(diǎn)輻射源的結(jié)構(gòu)，包括單個(gè)、兩個(gè)、三個(gè)、五個(gè)、九個(gè)金納米顆粒。

通過(guò)對(duì)兩個(gè)、三個(gè)、五個(gè)或九個(gè)金納米顆粒的間距的控制，實(shí)現(xiàn)輻射方向的改變和總輻射速率和遠(yuǎn)場(chǎng)輻射速率的增強(qiáng)。

金屬基底3為金基底。

金納米顆粒1為納米球，且所述納米球半徑選取根據(jù)有限元方法計(jì)算自發(fā)輻射速率來(lái)決定，選擇第一個(gè)諧振半徑即45nm。

所選PMMA層2厚度為10nm。

本發(fā)明的一種金屬納米顆粒微納結(jié)構(gòu)中的金屬納米顆粒間隙內(nèi)增強(qiáng)自發(fā)輻射的方法，該方法包括以下步驟：

步驟1、利用有限元方法計(jì)算金基底上單個(gè)金納米顆粒的總輻射速率和遠(yuǎn)場(chǎng)輻射速率，選取合適的金納米顆粒半徑，總輻射速率計(jì)算公式為：

其中，為點(diǎn)電流源沿偏振方向電場(chǎng)分量的實(shí)部；

遠(yuǎn)場(chǎng)輻射速率表示為：

其中，A為包含點(diǎn)電流源的封閉曲面，S為時(shí)間平均能流密度矢量，n為曲面A的外法向矢量，a為封閉曲面元；

自由空間中的輻射速率表示為：