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Plasmon-induced transparency in coupled triangle-rod arrays

耦合三角–棒阵列中的等离激元诱导透明

Guang Yuan Si, Eunice Sok Ping Leong, Wei Pan, Chan Choy Chum, Yan Jun Liu

Nanotechnology, 26(2):025201

一句话看懂受光激发的金纳米三角在邻近纳米棒中激发出暗的多极模式，二者干涉打开一个窄的透明窗口；纳米棒与三角之间的间隙和横向偏移决定这一窗口。

问题背景

电磁诱导透明（EIT）是一种量子干涉效应，可以消除原子介质对光的吸收。它在光谱上打开一个窄的透射窗口，并伴随极强的色散，因而在传感和慢光领域颇具吸引力。等离激元纳米结构可以借助经典场干涉模拟这一现象，称为等离激元诱导透明（PIT）。PIT 涉及同一单元内两种不同等离激元模式之间的强耦合：一种辐射很强、共振谱线宽，称为“亮”模；另一种为亚辐射、共振谱线窄，称为“暗”模。二者的相消干涉形成一个窄的透明窗口。

单元结构是构建等离激元分子和超材料的基本单元，加工误差带来的微小结构变化就可能使其光学功能显著退化。本文研究耦合的三角–棒单元：先确定其中的亮共振器和暗共振器，再测量几何参数按小步长受控变化时 PIT 窗口如何改变。

按顺时针排列的四幅石英衬底三维示意图：旋涂电子束光刻胶、在光刻胶中写出三角和棒的图形、蒸镀一层金、剥离后留下金三角–棒结构。虚线框内放大显示单个单元：上方是长 l、宽 w 的水平纳米棒，下方是边长 s、顶点指向纳米棒的三角形，红色虚线标出顶点与棒之间的间隙 g，以及顶点相对棒中心的偏移 Δd。 — 用电子束光刻、蒸镀金和剥离工艺制备三角–棒阵列。插图为单个单元及其参数：棒长 l、棒宽 w、三角边长 s、间隙 g 和偏移 Δd。引自论文图 1。

方法原理

每个单元由一个金纳米三角和一根金纳米棒组成，三角顶点指向纳米棒。光垂直入射，偏振方向沿纳米棒（H）或垂直于纳米棒（V）。通过时域有限差分（FDTD）仿真电场和电荷分布，确定单元中哪一部分是亮共振器、哪一部分是暗共振器；制备好的阵列用显微分光光度计测量。

单元结构。 等边纳米三角（边长 400 nm）位于纳米棒（长 550 nm、宽 80 nm）下方，二者均为石英上厚 50 nm 的金，以 2 µm 周期排列。改变的参数是三角顶点与棒之间的间隙 g 和横向偏移 Δd。
亮模。 在 V 偏振下，纳米三角以偶极模式共振。偏振方向垂直于纳米棒的光无法直接激发纳米棒的纵向等离激元。
暗模。 三角尖端的局域表面等离激元通过近场激发纳米棒。纳米棒以电荷分为三段的多极模式（记作 j = 2）响应，充当暗共振器。
透明窗口。 亮模与暗模的相消干涉使宽谷中升起一个透射峰（III）。峰两侧的谷 I 对应三角偶极与棒多极的同相（成键）耦合，谷 II 对应反相（反键）耦合。在 H 偏振下只有一个宽的偶极谷。
几何调控。 间隙 g 和偏移 Δd 决定两种模式的耦合强弱，改变它们即可重塑或消除透明窗口。

六幅三角位于纳米棒下方的仿真图。上排为电场强度，由蓝到红：I 和 III 处电场集中在三角尖端，II 处间隙中出现一大片红色区域。下排为表面电荷，以红蓝表示：三角呈偶极分布，纳米棒边缘的电荷分为三段。 — 仿真 V 偏振光谱中谷 I（a、b）、谷 II（c、d）和峰 III（e、f）处的电场（上排）与电荷（下排）分布。三角以偶极模式振荡；峰 III 主要来自纳米棒的多极模式，由三角尖端的近场激发。引自论文图 3。

实验结果

对 g = 20 nm、Δd = 0 nm 的样品，仿真与实测光谱总体吻合良好。实测的 PIT 峰略有红移，作者认为这主要源于形状公差以及仿真与实验之间折射率的差异。

（a）非偏振光经偏振片照射到黄色三角–棒阵列上的示意图，标有 H 和 V 箭头。（b）阵列的 SEM 图像，比例尺 2 µm。（c）仿真和（d）实测的 400–1600 nm 透射谱：在阴影波段内，红色 H 偏振曲线只有一个宽谷，蓝色 V 偏振曲线则在宽谷中出现一个峰，在（c）中标为 III，位于谷 I 和谷 II 之间。 — （a）测量配置，（b）所制备阵列的 SEM 图像，（c）仿真和（d）实测的 H、V 偏振透射谱，g = 20 nm，Δd = 0 nm。引自论文图 2。

所有阵列均在 V 偏振下测量。不同阵列的光谱略有差异，可能源于缺陷或表征系统的不一致，但总体趋势是明确的。间隙固定为 20 nm 时，随着偏移增大，窗口逐渐消失；偏移固定时，随着间隙增大，窗口处的透射率逐渐升高。总体而言，间隙或偏移较大时，PIT 效应变得很弱；在最大偏移 120 nm 下，无论间隙多大窗口都完全消失：此时三角与纳米棒的耦合太弱，无法激发纳米棒的暗模。由于 g 和 Δd 的微小受控变化可以模拟加工误差，作者指出，在设计和评估基于 PIT 的器件时应考虑这类变化。

四幅 400–1600 nm 实测透射谱，每幅五条彩色曲线：（a）g = 20 nm，Δd 从 0 到 120 nm；（b）Δd = 0 nm，g 从 20 到 60 nm；（c）g = 60 nm，Δd 从 0 到 120 nm；（d）Δd = 120 nm，g 从 20 到 60 nm。 — 阵列在 V 偏振下的实测透射谱：（a）g = 20 nm，Δd = 0–120 nm；（b）Δd = 0 nm，g = 20–60 nm；（c）g = 60 nm，Δd = 0–120 nm；（d）Δd = 120 nm，g = 20–60 nm。引自论文图 5。

引用

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  title={Plasmon-induced transparency in coupled triangle-rod arrays},
  author={Si, Guang Yuan and Leong, Eunice Sok Ping and Pan, Wei and Chum, Chan Choy and Liu, Yan Jun},
  journal={Nanotechnology},
  volume={26},
  number={2},
  pages={025201},
  year={2015},
  publisher={IOP Publishing},
  doi={10.1088/0957-4484/26/2/025201}
}

类型

Article Journal

主题

Optics & Image Processing

期刊/会议

Nanotechnology, 26(2):025201

年份

2014

DOI

10.1088/0957-4484/26/2/025201