Diffraction-induced quadrupolar lattice plasmon modes of high-quality factors for silver nanoparticle arrays

doi:10.7498/aps.70.20211629

Abstract

金属纳米颗粒阵列中形成的四偶极晶格共振模式具有低辐射损耗、高品质因子的特性，因此广泛应用于纳米激光、传感、固态照明等领域。基于时域有限差分法在均匀环境下研究了银纳米圆柱阵列的光谱与近场特性。研究结果表明，在x偏振光直入射下，通过调节阵列x方向的周期，共振强度先增加后降低，当两个方向上的周期相等时，提出的阵列结构能够产生一个线宽约0.4 nm、品质因子高达1815的四偶极晶格共振模式，这种共振模式呈现出Fano线型的透射谷；调控y方向的周期能够实现从Fano线型的透射峰到透射谷的转变；此外，银纳米圆柱直径、高度的增加将更有利于四偶极晶格共振模式的产生。本文说明了粒子大小、晶格周期对四偶极晶格共振模式的重要性，同时为银纳米颗粒在可见光波段设计高品质因子共振提供了优化策略。

Highlights

The outline of the nanoparticle is represented by a white box, and the sign "+" and "-" indicate positive and negative charges. (b) The transmission spectra of dipolar lattice plasmon modes (DLPMs) and quadrupolar lattice plasmon modes (QLPMs) of the silver nanodisks array under the x-polarized light
本文研究了均匀环境下银纳米圆柱阵列中高品质因子的 quadrupolar lattice plasmon modes (QLPMs),在 x 偏振光直入射下,通过调控阵列在 x 与 y 方向的周期,能够在可见光波段产生品质因子高达 1815 的 QLPM 共振;通过调控 y 方向周期,改变衍射模式的波长,由此控制 dipolar lattice plasmon modes (DLPMs) 出现的位置,能够实现一个 Fano 线型的透射峰与谷,出现这种现象的原因在于,当粒子足够大,能够使得单个粒子出现的偶极与四偶极 localized surface plasmon resonances (LSPRs) 分别与不同方向衍射模式发生耦合,由此产生 DLPMs 与 QLPMs,因此单独调控 y 方向的周期使 x 方向衍射模式的突变出现在 DLPM 的透射谷时,消光先减小后增大, 此时 QLPMs 表现为透射峰;当 x 方向的衍射波长远离 DLPM 时,此时阵列光谱透射率较高,衍射模式的变化使得 QLPMs 呈现透射谷。本文的研究将对设计高品质因子的 QLPMs 提供新思路。参考文献 [1] Wang D Q, Bourgeois M R, Guan J, Fumani A K, Schatz G C, Odom T W

Summary

Introduction

金属纳米粒子所支持局域表面等离子体共振(localized surface plasmon resonances, LSPRs)能有效的将电磁场束缚在粒子表面,因此可以极大增强电场近场特性,被广泛应用于增强光与物质相互作用,在纳米激光[1]、生物化学传感 [2]、表面增强拉曼散射[3]、荧光增强[4]等领域展现出极大的应用价值。然而金属本身存在较高的吸收损耗,导致光谱共振线宽较宽,因此,这也成为阻碍表面等离子体共振进一步发展的障碍之一。近年来,研究人员发现在阵列结构中金属纳米粒子的 LSPRs 与瑞利异常 (rayleigh anomalies,RAs)衍射之间的耦合能产生表面晶格共振[5,6,7,8,9,10,11](surface lattice resonances,SLRs),这种共振由于能有效抑制辐射损耗、进一步增强光与物质相互作用而被广泛应用于光子-激子耦合[12]、非线性增强[13,14]、LED[15]等诸本文研究了均匀环境下银纳米圆柱阵列中高品质因子的 QLPMs,在 x 偏振光直入射下情况下,通过调控阵列在 x 与 y 方向的周期,能够在可见光波段产生品质因子高达 1815 的 QLPM 共振。值得注意的是,通过调控 y 方向周期,改变衍射模式的波长,由此控制 DLPMs 共振出现的位置,能够实现一个 Fano 线型的透射峰与谷,其光谱特征也将通过近场电场分布来解释说明;此外,研究了银纳米圆柱直径、高度的变化对 QLPMs 的影响,说明了粒子大小、晶格周期对 QLPMs 的重要性。这种模式的设计也将为光开关、滤波器件的设计开辟新道路。这里 0 为共振的中心波长, 为共振的半高全宽(full-width at half-maximum, FWHM)。因此,可以计算得到上述两个共振峰位对应FWHM分别是0.4 nm与50.7 nm,相应的Q值分别是1815与16,此时,窄带共振对应QLPM,宽带共振对应DLPM。

Results

Conclusion