一种核壳式复合纳米柱体结构及其光调控方法技术

本发明专利技术公开了一种核壳式复合纳米柱体结构及其光调控方法，复合纳米柱体结构包括柱体核以及包覆在柱体核外的壳层；其中，柱体核使用非局域金属材料，壳层使用各向异性材料

【技术实现步骤摘要】
一种核壳式复合纳米柱体结构及其光调控方法


[0001]本专利技术涉及一种核壳式复合纳米柱体结构及其光调控方法，属于光操控

。

技术介绍

[0002]随着信息产业以及纳米技术的不断发展，光电器件不断减小到纳米量级
。
当光电器件中金属的尺寸远小于入射的电磁波波长，同时也小于其内部的自由电子的平均自由程时，其内部的电场就会产生附加的作用，从而导致金属器件内部的介电常数会与常规宏观的介质材料的介电常数不同，这种效应叫做非局域效应
。
非局域效应的影响已成为电磁波传播特性和散射特性不得不考虑的重要因素
。Huang
等人介绍了非局域金属纳米柱模型，并进行的相关计算，虽然考虑了金属的非局域效应，但欠缺的是，该论文只对单个柱体的散射特性进行分析，未考虑壳层影响
。
[0003]核壳结构纳米颗粒是一种特殊形式的复合纳米颗粒，比单一材料纳米颗粒有更大的可定制性和吸引力，具有可调的物理和化学性能，应用更为广泛
。
专利
CN 110794578B
公开了一种两层柱状结构幻觉装置，幻觉装置的结构都是由各向同性材料所组成
。
而对于各向同性材料所组成的结构，其散射特性分析较简单，其散射性能有一定局限性
。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种核壳式复合纳米柱体结构及其光调控方法，使用非局域材料和各向异性材料构建一种新的核壳式复合纳米柱体结构，推导在柱坐标系下核壳结构金属纳米柱的散射系数，得到了更高的消光性能
。
[0005]本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：
[0006]一种核壳式复合纳米柱体结构，所述复合纳米柱体结构包括柱体核以及包覆在柱体核外的壳层；所述柱体核为非局域金属材料，柱体核横波模和纵波模的介电常数分别为
ε
T
、
ε
L
；所述壳层为各向异性材料，在柱坐标系下，各向异性材料的介电张量为波矢为所述复合核壳柱体结构的各向异性参数为其中，
ε
r
、
ε
φ
、
ε
z
分别为各向异性材料在柱坐标系径向
、
切向
、
轴向的分量，
ω
为入射光频率，
c
为光速；
[0007]考虑横磁波入射下纳米柱体结构的消光光谱，纳米柱体结构的消光效率为：
[0008][0009]其中，
Q
ext
为消光效率，
k0为自由空间的波矢，
b
为复合纳米柱体结构的外半径；
n
为求和符号的级数，对应贝塞尔函数
、
诺依曼函数或汉克函数的阶数；
a
n
为散射系数，且
[0010][0011]其中，
J(
·
)、Y(
·
)
和
H(
·
)
分别为贝塞尔函数
、
诺依曼函数和汉克函数，
J'(
·
)
为
J(
·
)
的导数，
Y'(
·
)
为
Y(
·
)
的导数，
H'(
·
)
为
H(
·
)
的导数，
n
′
＝
n
ζ
，
a
为复合纳米柱体结构的内半径即柱体核的半径，
k
T
、k
L
分别为柱体核横波模
、
纵波模的波矢，
ε0为自由空间的介电常数；
ε
g
为与间带迁跃有关的背景介电常数，当
ε
g
＝1时，非局域金属只考虑自由电子气对介电的影响，
i
为虚数单位
。
[0012]作为本专利技术的一种优选方案，基于流体力学模型的介电响应修正表达式，将柱体核纵波模的介电常数表示为：
[0013]ε
L
(
ω
,k)
＝
ε
g
+
ε
h
(
ω
,k)
[0014]其中，
ω
p
和
γ
分别为等离子频率和阻尼常数，
V
F
为非局域金属中电子的费米速度，
k
为入射光波矢；
[0015]将柱体核横波模的介电常数表示为：
[0016]ε
T
(
ω
)
＝
ε
L
(
ω
,0)
＝
ε
g
+
ε
h
(
ω
,0)
[0017]纵波模的波矢
k
L
由
ε
L
(
ω
,k
L
)
＝0确定，横波模的波矢
k
T
满足色散定理
[0018]作为本专利技术的一种优选方案，所述复合纳米柱体结构内纵波模的激发依赖于入射平面波的偏振方向，在横磁波的入射下，纵波模被激发
。
[0019]一种核壳式复合纳米柱体结构的光调控方法，将所述的核壳式复合纳米柱体结构置于自由空间介质中，将横磁波入射到所述核壳式复合纳米柱体结构上；
[0020]在复合纳米柱体结构的内半径保持不变的情况下，调节复合纳米柱体结构的内半径与外半径之间的比值
η
和各向异性参数
ζ
，使得复合纳米柱体结构在特定频率的入射光下达到消光效率最大
。
[0021]一种核壳式复合纳米柱体结构的光调控方法，将所述的核壳式复合纳米柱体结构置于自由空间介质中，将横磁波入射到所述核壳式复合纳米柱体结构上；
[0022]在复合纳米柱体结构的外半径保持不变的情况下，调控复合纳米柱体结构的内半径与外半径之间的比值
η
和各向异性参数
ζ
，使得复合纳米柱体结构在特定频率的入射光下达到消光效率最大
。
[0023]本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
[0024]1、
本专利技术能够在不改变外部电磁场的情况下，通过调节对核壳比值和所使用材料实现对散射特性的调控
。
并且本专利技术使用非局域材料和各向异性材料相结合的方式所构建的模型，核层使用非局域金属柱体并考虑了小尺寸下金属的非局域性，壳层使用各向异性材料，全面的比较了不同材料所得到的散射特性，以便在实际中选择最优的材料进行使本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种核壳式复合纳米柱体结构，其特征在于，所述复合纳米柱体结构包括柱体核以及包覆在柱体核外的壳层；所述柱体核为非局域金属材料，柱体核横波模和纵波模的介电常数分别为
ε
T
、
ε
L
；所述壳层为各向异性材料，在柱坐标系下，各向异性材料的介电张量为波矢为所述复合核壳柱体结构的各向异性参数为其中，
ε
r
、
ε
φ
、
ε
z
分别为各向异性材料在柱坐标系径向
、
切向
、
轴向的分量，
ω
为入射光频率，
c
为光速；考虑横磁波入射下纳米柱体结构的消光光谱，纳米柱体结构的消光效率为：其中，
Q
ext
为消光效率，
k0为自由空间的波矢，
b
为复合纳米柱体结构的外半径；
n
为求和符号的级数，对应贝塞尔函数
、
诺依曼函数或汉克函数的阶数；
a
n
为散射系数，且其中，
J(
·
)、Y(
·
)
和
H(
·
)
分别为贝塞尔函数
、
诺依曼函数和汉克函数，
J'(
·
)
为
J(
·
)
的导数，
Y'(
·
)
为
Y(
·
)
的导数，
H'(
·
)
为
H(
·
)
的导数，
n
′
＝
n
ζ
，
a
为复合纳米柱体结构的内半径即柱体核的半径，
k
T
、k
L
分别为柱体核横波模
、
纵波模的波矢，
ε0为自由空间的介电常数；
ε
g
为与间带迁跃有关的背景介电常数，当
ε
g
＝1时，非局域金属只考虑自由电子气对介电的影响，
i
为虚数单...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈鸿莉，侯玉婷，
申请(专利权)人：南通大学，
类型：发明
国别省市：