论文部分内容阅读
贵金属纳米结构由于其独特的表面等离激元共振特性,具有近场能量增强和突破衍射极限两个特点,被广泛应用于纳米光镊技术领域。但是由于贵金属材料在可见光波段和近红外波段存在较大的损耗和光吸收性,由其制成的纳米光镊结构在捕获过程中产生的光热效应在很大程度上会影响捕获的稳定性,不利于捕获的进行。近年来,有研究表明由高折射率电介质材料制成的纳米结构同样可以产生光学共振现象,并且突破衍射极限的限制。为此,本文采用硅材料来代替贵金属材料作为纳米光镊的主体材料,设计了一种硅基双纳米柱加纳米环的光镊结构,并对该结构的光学性质、光热性质以及捕获特性进行了详细的仿真和实验分析。本文首先简单介绍了光镊的基本原理以及纳米结构中光学共振的基本性质,并对相关的计算方法和理论进行了阐述。其次,通过三维频域有限元的数值算法仿真分析了所设计的硅基光镊结构的光学性质,得到了其增强场分布特点（电场增强8.76倍,磁场增强4.23倍）,并且对比分析了金基光镊结构中的近场分布情况（电场增强16.1倍,磁场增强4.37倍）,发现在相同入射光场强度下,金基结构的近场增强效果要大于硅基结构。然后,通过控制两种结构对于聚苯乙烯小球（d=20 nm）的捕获能力相同,得到了其所需的入射光场强度分别为ISi=36.32 mW/μm2,IAu=6.67mW/μm2。在各自的入射光场强度下,仿真得到了两种结构在稳态下的温度变化和热致对流情况。硅基结构温度仅仅上升了0.83 K,热致对流速度场大小为3.2×10-3nm/s;而金基结构温度上升了29.7 K,热对流速度为5.3 nm/s。从仿真结果可以看出两种结构在相同捕获能力下,金基结构的热效应远大于硅基结构,硅基结构在高光场强度下捕获稳定性更好。最后,通过所设计的硅基光镊结构对于聚苯乙烯小球的捕获力、捕获势能和捕获刚度的定量分析以及该结构的捕获实验,得到了其详细的捕获特性。结果表明,该硅基纳米光镊结构可以对聚苯乙烯微粒实现良好的捕获。