金属纳米颗粒微纳结构及其间隙内增强自发辐射的方法技术

本发明专利技术公开了一种金属纳米颗粒微纳结构及其间隙内增强自发辐射的方法，包括金纳米颗粒(1)、PMMA层(2)和金属基底(3)，所述金纳米颗粒(1)等间距排列置于PMMA层(2)上，并且所述分子或量子点辐射源(4)位于中心金纳米颗粒的正下方；步骤1、利用有限元方法计算金基底上单个金纳米颗粒的总辐射速率和远场辐射速率，选取合适的金纳米颗粒半径；步骤2、选用步骤1中的金纳米颗粒的半径，利用有限元方法计算每两个金纳米颗粒间距逐渐增大时总辐射速率、远场辐射速率的变化，基于洛伦兹互易定理在MATLAB‑COMSOL中计算辐射方向图随各金纳米球间距变化的情况。与现有技术相比，本发明专利技术既能增强分子或量子点辐射源的自发辐射速率，也能改变辐射方向。

【技术实现步骤摘要】
金属纳米颗粒微纳结构及其间隙内增强自发辐射的方法
本专利技术涉及增强自发辐射
，特别是涉及到一种金属基底上的金属纳米颗粒新型微纳设计结构及基于金属纳米颗粒的金属纳米间隙结构内增强自发辐射的方法。
技术介绍
自发辐射是指在没有任何外界的作用下，激发态原子自发地从高能级向低能级越迁，同时辐射出一个光子的过程。目前，基于金属纳米颗粒的金属纳米间隙结构得到了广泛的关注。在纳米颗粒与金属基底之间涂覆间隔层，这种结构可以增强辐射效率、缩短荧光寿命、增强光致发光以及控制远场辐射方向等。辐射方向图显示了纳米结构的辐射方向，也反映了辐射强度的大小。调节纳米结构辐射方向常用的结构有Yagi-Uda天线、周期性金属槽、金纳米棒、三角形金纳米颗粒、核壳纳米结构和V型天线等。纳米结构增强点源的辐射速率有着重要的实用价值，在分子荧光传感领域，可以提高荧光信号的量子产率。有些微纳结构的设计可以实现单光子源的定向发射，甚至是中心发射，此时不需要数值孔径很大的物镜就能收集全部的光，将会实现球面波向平面波的转化。
技术实现思路
针对上述现有技术及其存在的缺陷，本专利技术提出了一种金属纳米颗粒微纳结构及其间隙内增强自发辐射的方法，不仅设计了五种金属纳米颗粒微纳结构，而且通过改变金属基底上金属纳米颗粒的纳米间隙，实现了分子或量子点辐射源自发辐射增强以及控制辐射方向。本专利技术的一种金属纳米颗粒微纳结构，该微纳结构包括金纳米颗粒1、PMMA层(2)和金属基底3，所述金属纳米颗粒1放置在PMMA层2上，所述PMMA涂覆在所述金属基底3上，分子或量子点辐射源4被置于所述PMMA层2中间，所述金纳米颗粒1等间距排列置于PMMA层2上，并且，所述分子或量子点辐射源源4位于中心金纳米颗粒的正下方。设计不同数量的金纳米颗粒1作用在分子或量子点辐射源的结构，包括单个、两个、三个、五个、九个金纳米颗粒。通过对两个、三个、五个或九个金纳米颗粒的间距的控制，实现辐射方向的改变和总辐射速率和远场辐射速率的增强。金属基底3为金基底。金纳米颗粒1为纳米球，且所述纳米球半径选取根据有限元方法计算自发辐射速率来决定，选择第一个谐振半径即45nm。所选PMMA层2厚度为10nm。本专利技术的一种金属纳米颗粒微纳结构中的金属纳米颗粒间隙内增强自发辐射的方法，该方法包括以下步骤：步骤1、利用有限元方法计算金基底上单个金纳米颗粒的总辐射速率和远场辐射速率，选取合适的金纳米颗粒半径，总辐射速率计算公式为：Γtotal＝-Re[Ez(0,0,0)]/2其中，Re[Ez(0,0,0)]为点电流源沿偏振方向电场分量的实部；远场辐射速率表示为：其中，A为包含点电流源的封闭曲面，S为时间平均能流密度矢量，n为曲面A的外法向矢量，a为封闭曲面元；自由空间中的辐射速率表示为其中，ηvac为真空中的波阻抗，k0＝2π/λ，λ为波长，k0为波数，na为空气中的折射率；步骤2、选用步骤1中的金纳米颗粒的半径，利用有限元方法计算每两个金纳米颗粒间距逐渐增大时，归一化的总辐射速率Γtotal/Γair、远场辐射速率Γrad/Γair的变化，基于洛伦兹互易定理在MATLAB-COMSOL中计算辐射方向图随各个金纳米球间距变化的情况。与现有技术相比，本专利技术既能增强分子或量子点辐射源的自发辐射速率，也能改变分子或量子点辐射源的辐射方向。附图说明图1为本专利技术实施例的结构图。(a)、(c)、(e)、(g)、(i)分别为单个、两个、三个、五个、九个金纳米颗粒结构侧视图；(b)、(d)、(f)、(h)、(j)分别为单个、两个、三个、五个、九个金纳米颗粒结构俯视图；分子或量子点辐射源均处于中心金纳米颗粒的正下方位置。图2为本专利技术实施例的总辐射速率和远场辐射速率随单个金纳米颗粒半径R的变化曲线；附图标记：1、金纳米颗粒，2、PMMA层，3、金基底，4、分子或量子点辐射源。具体实施方式下面将结合示例对本专利技术的技术方案作进一步的详细描述。如图1所示，为本专利技术的一种金属纳米颗粒微纳结构示意图。本专利技术实施例具有五种结构设计，所设计的五种微纳结构中每种结构自上而下为金纳米颗粒、PMMA层、金基底，五种结构不同之处在于金纳米颗粒的数量不同。分子或量子点辐射源4置于PMMA中间，金纳米颗粒1以等间距阵列的方式放置在PMMA层2上。设计不同数量的金纳米颗粒作用在分子或量子点辐射源的结构，包括单个、两个、三个、五个、九个金纳米颗粒，分子或量子点辐射源均处于中心金纳米颗粒的正下方位置。这种结构设计可以增强分子或量子点辐射源的自发辐射速率，同时也能改变辐射方向。入射波长为632.8nm，空气的折射率为1，PMMA的折射率是1.5，PMMA层厚度为10nm(较薄的PMMA胶可以保证金纳米颗粒与量子点充分耦合，起到固定结构的作用)。金纳米颗粒半径为R，间隔为d。金纳米颗粒为纳米球，且纳米球的半径R通过有限元方法(COMSOLMultiphysics软件)计算总辐射速率和远场辐射速率得出。当金纳米颗粒半径满足等离子激元共振条件时会出现总辐射速率、远场辐射速率峰值，此时对应的金纳米颗粒半径即为谐振半径，本专利技术选取金纳米颗粒为45nm作为研究。设电流密度方向为z方向，点辐射源的表达式为J＝δ(x,y,z)z，其中δ为狄拉克函数，z为点电流源沿偏振方向的单位长度矢量。该辐射点电流源的总辐射速率表示为：Γtotal＝-Re[Ez(0,0,0)]/2其中，Re[Ez(0,0,0)]为点电流源沿偏振方向电场分量的实部。远场辐射速率表示为：其中，A为包含点电流源的封闭曲面，S为时间平均能流密度矢量，n为曲面A的外法向矢量，a为封闭曲面元。自由空间中的辐射速率表示为其中，ηvac为真空中的波阻抗，k0＝2π/λ，λ为波长，k0为波数，na为空气中的折射率。定义归一化的总辐射速率表示为：Γtotal/Γair归一化的远场辐射速率表示为：Γrad/Γair首先利用有限元方法(COMSOLMultiphysics软件)计算图1的(a)、(b)中单个点辐射源的自发辐射速率，Γtotal/Γair和Γrad/Γair随金纳米颗粒半径的变化曲线分别如图2(a)和(b)所示。当金纳米颗粒半径满足等离子激元共振条件时会出现总辐射速率、远场辐射速率峰值，此时对应的金纳米颗粒半径即为谐振半径，从图2可见，存在四个谐振半径即R＝45nm、120nm、180nm、260nm，且Γtotal/Γair及Γrad/Γair随着金纳米颗粒谐振半径的增大而减小。随后可计算图1中不同金纳米颗粒结构下的总辐射速率和远场辐射速率，同时也可以计算辐射方向图随金纳米颗粒间距d变化的情况。摘要本专利技术公开了一种金属基底上金属纳米颗粒纳米间隙内增强自发辐射的方法，在金纳米颗粒与金基底之间设置PMMA层，将点源放置在PMMA层中，研究金纳米颗粒的数量、布局、尺寸对点源自发辐射速率和辐射方向的影响，并基于洛仑兹互易定理由近场推出远场的方法来复现远场辐射方向图。此种结构可以增强自发辐射效率，改变辐射方向。与现有结构相比，本专利技术的一种金属基底上金属纳米颗粒纳米间隙内自发辐射调控的方法，可以改变分子或量子点辐射源的辐射方向，且结构简单，方便实验测试。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种金属纳米颗粒微纳结构，该微纳结构包括金纳米颗粒(1)、PMMA层(2)和金属基底(3)，所述金属纳米颗粒(1)放置在PMMA层(2)上，所述PMMA涂覆在所述金属基底(3)上，分子或量子点辐射源(4)被置于所述PMMA层(2)中间，其特征在于，所述金纳米颗粒(1)等间距排列置于PMMA层(2)上，并且，所述分子或量子点辐射源(4)位于中心金纳米颗粒的正下方。

【技术特征摘要】
1.一种金属纳米颗粒微纳结构，该微纳结构包括金纳米颗粒(1)、PMMA层(2)和金属基底(3)，所述金属纳米颗粒(1)放置在PMMA层(2)上，所述PMMA涂覆在所述金属基底(3)上，分子或量子点辐射源(4)被置于所述PMMA层(2)中间，其特征在于，所述金纳米颗粒(1)等间距排列置于PMMA层(2)上，并且，所述分子或量子点辐射源(4)位于中心金纳米颗粒的正下方。2.如权利要求1所述的一种金属纳米颗粒微纳结构，其特征在于，设计不同数量的金纳米颗粒(1)作用在分子或量子点辐射源的结构，包括单个、两个、三个、五个、九个金纳米颗粒。3.如权利要求(1)所述的一种金属纳米颗粒微纳结构，其特征在于，通过对两个、三个、五个或九个金纳米颗粒的间距的控制，实现辐射方向的改变和总辐射速率和远场辐射速率的增强。4.如权利要求1所述的一种金属纳米颗粒微纳结构，其特征在于，所述金属基底(3)为金基底。5.如权利要求1所述的一种金属纳米颗粒微纳结构，其特征在于，所述金纳米颗粒(1)为纳米球，且纳米球半径选取根据有限元方法计算自发辐射速率来决定，选择第一个谐振半径即45nm。...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟莹，刘孟颖，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12