金属表面存在的自由电子与入射光子相互作用,在围绕金属表面的局部范围内产生电磁场增强,被称为表面等离子体激元（Surface plasmon polariton,SPP）现象。表面等离子体的特性决定其在光学、电子通信、生物化学等多个领域内的应用都具有巨大的潜力。随着纳米制造工艺和光学表征检测技术的不断发展,最近数十年,表面等离子体才受到人们越来越多的关注,成为众多纳米科学领域应用研究的重要基础工具。本论文从较为热门的表面等离子体应用前沿出发,利用周期性纳米结构激发表面等离子体所具备的独特光电性能,设计并提出了几种具备不同功能的纳米结构用作表面等离子体器件或材料。我们通过数值仿真和实验,研究了在这些周期性纳米结构中激发的表面等离子体的物理特性,并重点讨论了这些结构在实际应用中的性能优势或方法上的创新亮点。这些主要研究工作包括:1.基于周期性表面等离子体纳米结构的器件研究研究了周期性纳米结构在折射率传感器中的应用。我们将交错性引入纳米光栅或阵列单元,设计了三种不同的周期性二维或三维交错纳米结构。和现有基于非交错结构的研究结果不同,新加入的交错型设计能够为纳米结构的折射率传感性能在灵敏度、线性度、品质因数等多个方面带来大幅提升。作为一种快速无标记折射率传感器,该工作可以有效提升生物传感器件的传感性能,减少应用条件限制,拓展应用场景。研究了周期性狭缝构成的典型纳米透镜上的可控焦点移动。在狭缝深度/宽度渐变的两种纳米透镜上,设计器件结构并通过理论和仿真讨论了实现可控焦点移动的过程和结果。结合实时改变衬底折射率的技术,该结果将可能有利于光刻、成像等方面的研究。为微纳尺寸内实现实时、快速、高精度程控光刻提供了全新的思路和可靠的理论支撑。研究了一维周期性嵌入式纳米光栅上透射光的法拉第效应。引入嵌入结构设计,结合超透射理论和数值仿真实现了结构内透射光法拉第正反旋转的选择性增强,并且得到了和现有结果相比更高的增强效率。所得到的旋转方向增强的选择性可以在例如空分复用等非互易性光电器件设计中增加器件的集成度,提升传统磁光设备的可用性。2.基于周期性表面等离子体纳米结构的功能性材料应用研究研究了适用于建筑玻璃的定向温控纳米材料。所设计材料的纳米结构为一种基于随机分布的周期性铜纳米盘,通过在衬底中加入一层极薄的银膜,其制造出的样品正反向对近红外太阳能的吸收差的能力比现有研究提升2～3倍。通过讨论铜盘上激发的局域表面等离子体实现玻璃两侧吸收差异的原理及其显色性表现,证明了该材料突出的温度定向管理性能。这一工作适用于减少在冬夏两种情形用于稳定室内温度的能量消耗,从而减少碳排放。该结构符合大规模制备技术的要求,对于一直以来颇受关注的节能环保问题具有重要意义。研究了一种在金属纳米结构上析出薄层二硫化钼的方法用于二维材料和等离子体增强相互作用的研究。所设计的金-钼-金三层周期性纳米圆盘样品用于薄层二硫化钼的载体和等离子体激发。和现有在纳米结构上合成二硫化钼的研究相比,整个过程严格控温在400摄氏度以下,因此能够更好地保护纳米结构,即保护其激发等离子体的能力、降低纳米结构的尺寸。这一结果同时解决了在等离子体纳米结构结合二硫化钼研究中的许多常见问题,例如化学气相沉积法温度过高、机械剥离法制备速度太慢等,其光电特性可以应用在在光致发光器件、氢析出/脱硫加氢反应光催化,整个制备方法为其他过渡金属硫族化物和等离子体结构结合的研究提供了重要指导。