表面Plasmon-Enhanced Nanoantenna本地化的荧光

文摘

玻璃衬底上表面plasmon-enhanced黄金nanoantenna结构研究增加局部电场和荧光饲料缺口位置的天线。偶极子、阿基米德螺旋平衡和领结和双领结几何图形表面等离子体效应进行了研究。不同的闪光角度领结几何图形相互比较。双领结几何与双极化能力表现出优越的性能几乎56 dB场增强因子。我们还研究了电场增强衬底厚度的影响,我们发现,玻璃厚度中扮演着一个关键的角色为连贯的表面电浆子的饲料缺口的位置。表面等离子体效应证明通过考虑完美的电导体模型柯克黄金而不是修改模型。

1。介绍

光学天线已经成为一种很有前途的领域提高效率的照片探测器,光发射器、生物传感器、光谱(1- - - - - -4]。进步的关键支持技术在纳米制造,这些天线已建成和被证明是有用的对于许多应用程序在红外和可见区域的电磁波谱(5- - - - - -12]。这些天线特性使一个有别于传统天线射频地区是他们可以利用自发发射增加发射率(13- - - - - -20.]。珀塞尔(15),在他的经典之作,表明谐振器耦合天线结构可以建立零点波动在一个体积小,可以增加光学转换的速度由几个大小的顺序。这个想法激发了使用金属纳米颗粒激发表面等离子体激元增强局部发射率。尽管珀塞尔因素可能多达10⁵相结合,电浆的质量因素结构通常少于100由于辐射和吸收损失参与自发发射的过程。

随着扫描近场光学显微镜和单分子显微镜,提供实验工具控制实验研究从单分子荧光的增强靠近贵金属纳米颗粒(21- - - - - -27]。底层物理光学天线的近场相似的交互概念。金属纳米粒子表面等离子体极化声子模式的支持,依赖于纳米结构形状及其周边地区如衬底(下面28- - - - - -32]。这些金属纳米粒子与分子之间的相互作用在亚波长范围内增强自发发射几个数量级。

不同的传输和接收模式操作,nanoantenna也可以作为很好的荧光光谱由于援助强场增强饲料地区本地化(33- - - - - -41]。然而,整体的形状和尺寸的天线其衬底扮演关键角色在实现局部场增强,同时避免淬火。光学天线的结构形状非常类似于那些传统的天线,但有一个例外:易于制造。可以提出许多种2 - 2.5 d平面传统光学天线,但制造公差和加工技术的局限性缩短列表相当一些简单的结构。在这方面,杆和领结几何图形已经优先于其他设计。然而,螺旋和其他结构也模拟了更好的性能。

我们首先研究传统的天线形状对黄金印在玻璃衬底和比较当地的场增强因素在天线馈电的差距。而不是分析整个天线表面,我们只考虑领域增强饲料样本可以放置的位置。我们也研究衬底的影响增强因素维度,因为表面波等离子体的激发和连贯的饲料差距是很重要的。我们证明了局部场(电场)的增强是由于表面波等离子体效应通过比较相同结构的一个完美的电导体。最后,我们建议偏振不敏感的天线结构局部场增强。

2。理论背景场增强

使用photokinetic利率维持在稳定状态,每个分子荧光率是由(42] 在哪里代表收集效率,量子效率,和速率常数的辐射和非辐射的发射率),是指激发截面,是激励强度,饱和磁化强度。为,和,可以近似为。测量荧光表示为 在哪里是时间的浓度。当测量荧光集成在一段时间内,观察到荧光可以表示为 单分子辐射发射正比于分子偶极矩和局部电场激发:。因此,观察到荧光强烈依赖于当地激发电场的情况下,激励强度比饱和磁化强度要大得多。

观察领域增强由于自发发射,可以考虑金属介电驻留在x - y飞机与边界正常的指向z方向。无限维的横向平面,一个字段组件的麦克斯韦方程可以解决由于入射平面波激励。似乎只对横磁(TM)激发表面波等离子体可以兴奋,,,在那里和分别是电介质的介电常数和金属。它可以很容易地显示,这些条件是等价的,在那里。只有一些贵金属(Ag),非盟Pt等),可以满足这些条件的频率低于等离子体频率。因此,它可以激发表面等离子体和设计结构,表面等离子体激元在指定位置添加前后一致地增加局部电场和荧光。

3所示。天线设计

我们认为玻璃衬底(Pyrex)和黄金的印记。柯克黄金用于模拟和仿真模型进行使用CST微波工作室,一个3 d电磁场求解基于有限的集成技术修改版本的时域有限差分(FDTD)解决方案技术。柯克模型的黄金,这是一个修改在束缚电子地区金属自由电子气模型,被广泛研究的相对介电常数和黄金可以近似 在哪里,,相对介电常数在无穷远处,等离子体频率,分别和勾结频率。的值和是rad / s和rad / s,和它们与散装材料数据一致43]。我们认为偶极子天线,螺旋天线,领结天线,天线double-bowtie局部场增强。在图所示的结构1。

所有的天线都是假定驻留在纳米玻璃基板和玻璃衬底的厚度是1100海里。偶极子一只手臂的长度和饲料差距分离作为125 nm和30 nm),分别。黄金印记是10纳米的厚度。天线共振(玻璃衬底的相对介电常数),根据经典天线理论,预计将大约242太赫兹。螺旋几何,饲料差距分离优化20 nm和黄金是14纳米的厚度。手臂的宽度阿基米德螺旋平衡是20 nm,且只有一个和70 nm转弯半径。领结天线已经研究了各种闪光角度,特别是30°、60°、90°。饲料领结各有不同的差距和宽度不同的几何图形,但是一只手臂的长度在125 nm保持不变。厚度也是作为10纳米。在所有情况下,团结的力量从玻璃衬底,平面波入射,对面的天线。此外,我们观察领域增强饲料区域中心位置的天线。外磁场增强这个区域可能比这个位置达到更高的水平,但我们的主要兴趣是在应用荧光饲料的中心地区。所有模拟都是100 - 400内进行太赫兹频段由于有限的柯克模型的适用性。

4所示。结果与讨论

结构的模拟研究电场增强饲料缺口的位置。虽然过去的研究集中在整体场增强在任何位置靠近天线结构,我们特别感兴趣的提要缺口的位置。偶极子天线模拟第一,结果显示在图供参考2对于一个平面波极化x方向。

最大磁场增强发生在166.5太赫兹和150 V / m电场在提要的位置。然后,阿基米德螺旋天线平衡模拟并给出电场在提要位置如图3。螺旋天线是兴奋的x极化平面波和电场组件x- - -y方向是模拟的。

可以看出电场最大值184.5太赫兹和285 V / m振幅,这是偶极天线的2.68倍。的y的电场分量约92.5 V / m在同一频率。field组件沿直线边缘的螺旋展品更好地与平面波场增强兴奋时偏振方向。在我们的例子中,这是x方向。天线是兴奋y极化平面波,场增强低。因此,饲料边缘对齐大大影响场增强,螺旋和双极化的能力是有限的。184太赫兹电场分布如图4。我们还要注意观察高字段值(322 V / m)远离天线的中心。

接下来,领结天线与30°、60°、90°耀斑角度模拟,给出了图的结果5为x极化均匀平面波照明。

171太赫兹电场最大值发生在174.5 V / m 30°展开角领结,在183和216 V / m太赫兹60°展开角领结,172.5太赫兹和288 V / m 90°展开角领结。很明显,90°领结优于其他设计和偶极天线的2.72倍。众所周知的经典天线理论,展开角增加从30°- 90°,领结天线具有更大的带宽,但不像当前相当高的增益分布沿入射偏振方向保持相对不变。然而,与表面等离子体效应,磁场增强与90°耀斑角领结是相当高的。电场分布在90°展开角领结172.5太赫兹如图6。

证明电场增强确实是由于表面等离子体极化声子模式中,我们比较了领结的电场大小结构完美的电导体(压电);,黄金被替换的柯克模型与无限的电导率。压电陶瓷的电场情况显示在图中7。在172.5太赫兹电场脉冲涡流模型是41,这主要是由于第一共振结构。

虽然领结提供了一个不错的局部场增强,这是偏振敏感。要克服这个缺点的领结,我们学了双极化双领结几何。仿真结果对双领结几何图形与不同的耀斑角度如图8。惊人的高价值的双重领结45°展开角观察到提要的中心位置。151太赫兹,场增强620,超过4倍的偶极子天线。在邻近结构耦合影响领域最大的频率提高,90°展开角表现出表现不佳,但仍高于偶极子天线。当结构感到兴奋x极化平面波代替y、同一领域增强因素观察与交叉极化水平非常相似。因此,双领结确实比其他结构和偏振不敏感提供大型增强因素。电场分布在45°展开角双领结151太赫兹如图9。电场是局限于非常小的区域与其他结构相比,它表现出很好的本地化领域为众多荧光增强的应用程序。

确保电场增强是由于表面等离子体极化声子模式中,我们再次将双领结结构的电场振幅与完美的电导体(压电陶瓷)。压电陶瓷的电场情况显示在图中10。派克模型的电场是最多50 V / m,这是符合单一领结模拟。

我们也观察到玻璃厚度中起关键作用增强。从一侧的侧墙和底部反射衬底可能加起来有建设性的和/或狼狈地在提要的位置,一个人必须进行厚度扰动研究电场模拟。我们不同的衬底(玻璃)厚度从1400纳米到200纳米和300纳米的步骤观察厚度对电场的影响,结果显示在图中11。电场的频率成为最大的仍然是相对不变的厚度不同。很难计算在这些结构的共振频率。如果表面等离子体极化声子效应是被忽视的,一个人可以计算介质矩形立方体共振和执行一个扰动占金属结构存在。然而,在我们的案例中这是不可能的。

5。结论

相比我们有几个nanoantenna结构局部场增强,特别是在天线馈电缺口的位置。我们花了几个已知的结构和优化其结构参数表明,电场增强超出的自然共振天线。我们还提出了双极化双领结天线结构。单一的领结天线90°展开角表现出有前途的场增强因子约50 dB以上入射平面波照明。创建相对偏振不敏感的结构,我们提出了双领结结构和学习各种闪光角度最大磁场增强提要的位置。我们达到56 dB领域增强与45°双领结结构。的结构是对称的双极化的应用程序。阿基米德螺旋天线平衡也表现出良好的性能,但与此相关的制造难题天线排除了它的实现而领结几何图形。我们研究了衬底厚度对电场的影响增强,表明衬底厚度可以很有影响力,必须考虑在微扰天线的研究。

确认

作者表达感谢匿名评论者的许多有益的建议。这项工作在一定程度上是由Yeditepe大学研究基金。

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