金属纳米结构在入射光激发下产生的表面等离激元共振(surface plasmon resonance, SPR)由于可产生非常显著的表面电场增强, 因此在诸如表面增强拉曼光谱^{[1, 2]}和超灵敏化学生物传感^[3], 非线性等离激元光学^{[4, 5, 6]}等研究领域得到了广泛的应用。 许多金属纳米结构都可有效地产生局域表面电场增强, 如具有尖端结构的纳米颗粒^{[7, 8, 9, 10]}, 纳米颗粒之间的间隙结构^{[11, 12]}, 金属薄膜上的纳米颗粒^{[13, 14, 15]}等。 其中, 尖端结构由于其极小的曲率半径形成电荷聚集从而产生表面电场增强; 金属薄膜上放置纳米颗粒形成的间隙结构由于纳米颗粒的局域表面等离激元与金属薄膜上的表面等离激元相互作用从而产生了表面电场增强。 在激发金属纳米球-薄膜结构的SPR时, 往往需要采用入射光斜入射的方式以使在垂直于金属薄膜的方向上具有足够大的电场分量^[16]。

本研究采用有限元数值计算方法(finite element method, FEM)研究了一种新型间隙模式, 即将金属纳米球放置于金属纳米圆盘表面中心处形成的间隙结构模式, 这种间隙模式的主要特点是可以利用正向入射的径向偏振光有效地激发金属纳米圆盘的等离激元呼吸模式^{[17, 18, 19]}, 该模式可导致电荷在圆盘中心以及圆盘边缘聚集且沿径向来回振荡, 在圆盘中心聚集的电荷进而可以激发金属纳米球的局域表面等离激元, 最终形成间隙结构中的电场增强。

为了更好地揭示金属纳米球-纳米圆盘结构中等离激元呼吸模式所起的主要作用, 同时在研究中也对单个金属纳米球、 单个金属纳米圆盘、 金属薄膜和金属纳米球-薄膜结构进行了计算分析, 比较了五种金属纳米结构在相同径向偏振光的激发下所产生的SPR光谱, 金属纳米圆盘和金属纳米球-纳米圆盘结构的电场增强因子, 金属纳米球-纳米圆盘结构和金属纳米球-金属薄膜结构的表面电场分布。 计算结果表明金属纳米球-纳米圆盘结构的间隙模式可以产生10²数量级的电场增强, 比金属纳米圆盘额外提高了10倍, 在径向偏振光激发下该结构比金属纳米球-薄膜结构具有更强的表面电场增强本领。 本文中的新型间隙模式亦可应用在金属探针-金属纳米圆盘结构中, 这种电场增强机制将在针尖型拉曼增强散射(tip enhanced Raman scatter, TERS)测量中具有潜在的应用前景。

在最近研究金属纳米圆盘上等离激元呼吸模式的光学激发时^[17], 采用了两束反向同轴传播的径向偏振光, 目的是为了消去径向偏振光本身所携带的微弱纵向电场分量的影响从而只需考虑径向分量的激发作用。 这里采用了与此相同的入射光束来进行模拟计算, 其几何空间分布如图1(a)所示, 从图1(b)中可以看到明显的干涉条纹。 在进行模拟计算时, 我们将金属纳米结构放置在二维旋转对称空间的中心, 其中心附近沿对称轴方向大约20 nm的空间内其入射光场的纵向电场分量几乎为零而只有径向分量, 如图1(c)所示。

图1

Fig.1

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图1 径向偏振光示意图 颜色表示表面电场的振幅大小, 单位为: V· m-1, 黑色箭头代表表面电场 (a): 横向截面图; (b): 纵向截面图; (c): 纵向截面中心区域局部放大图Fig.1 Schematic of radially polarized beam The color bars mark theamplitude of the surface electric fields with unit of V· m-1, the black arrows show the surface electric fields (a): Schematic cross section in transverse plane; (b): Schematic cross section in longitudinal plane; (c)localized magnified view from the longitudinal plane

图2

Fig.2

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图2 模拟计算中的金属纳米结构 (a): 金纳米球-圆盘, 圆盘半径为600 nm, 厚度为10 nm, 球半径为50 nm, 盘和球的间距为5 nm, 为了视觉效果图中盘的厚度扩大了10倍; (b) 金纳米球-薄膜, 金薄膜为500 μ m半径、 10 nm厚的圆盘, 球半径为50 nm, 薄膜和球的间距为5 nm, 为了视觉效果图中球的半径扩大了500倍, 膜的厚度扩大了1 000倍Fig.2 Metal nanostructures studied in the simulation (a): Au nanodsphere-nanodisc, where the nanodisk has radius of 600 nm, thickness of 10 nm, the nanosphere has radius of 50 nm, and the gap distance between the nanodisk and nanosphere is 5 nm (for better visualization the thickness of the nanodisc is magnified by 10 times); (b) Au nanosphere-thin film, where the Au film is treated as a large disk with radius of 500 μ m, and thickness of 10nm, the nanosphere also has radius of 50 nm, and the gap distance between the film and the nanosphere is also 5 nm (for better visualization the radius of the nanosphere is magnified by 500 times, the thickness of the film is magnified by 1 000 times)

对五种金属纳米结构展开了模拟计算, 其中的金属纳米球-纳米圆盘和金属纳米球-薄膜结构如图2所示。 图2(a)所示的金属纳米圆盘的半径为600 nm, 厚度为10 nm, 金属纳米球的半径为50 nm, 球和盘的间距为5 nm; 图2(b)所示的金属薄膜是以半径为500 μ m的圆盘来代替, 这是由于本文的模拟计算为二维旋转对称模型, 入射光束的半径大约为10 μ m, 远小于该圆盘的尺寸, 因此可看成一个很好的近似, 金属薄膜的厚度亦为10 nm, 金属纳米球的半径仍然为50 nm, 球和薄膜的距离也为5 nm。 另外三种金属纳米结构分别为处在相同空间位置的独立的金属纳米球、 金属纳米圆盘以及金属薄膜。

金属纳米结构的材料为金, 介电常数取自普遍被采用的文献[20]中的结果。 为简单起见, 金属纳米结构周围的介质设为真空。

FEM模拟计算结果表明, 金属纳米圆盘在径向偏振光的激发下会产生呼吸模式的表面等离激元共振, 使得纳米圆盘的中心聚集电荷, 从而产生较强的纵向电场分量; 而当在纳米圆盘表面上放置一个金属纳米球形成间隙结构时, 该间隙模式会使金属纳米圆盘中心的纵向电场分量进一步增强10倍以上。 由于金属纳米球-纳米圆盘结构具有空间几何形状相对简单、 容易制备等优点, 预期利用这种新型的金属纳米结构配合径向偏振光束的激发, 会在SERS和TERS研究方面具有一定的应用前景。