磁等离激元纳米结构中的Fano共振和磁光效应

【摘要】纳米光子学技术的发展要求人们对光进行更加有效、精确的控制。在过去的十年,伴随着微纳加工技术的普及和进步,表面等离激元学获得了前所未有的蓬勃发展。表面等离激元的激发使得光可以在亚波长尺度上被调控,从而突破了传统意义上的衍射极限并促进了新型光电子器件的研究。在这样的背景下,磁性等离激元纳米结构有效地结合了表面等离激元和磁性两种功能,它既可以通过外加磁场来对等离激元进行调控,又能够极大地增强磁光效应。这个方向的研究促进了许多新型器件方面的应用,比如磁光传感器、定向纳米天线、‘全光磁记录、光隔离器以及调制器等。然而如何设计同时具有表面等离激元和磁光性质的方便可控的系统,依然是一个充满挑战的问题。我们知道,单一的金属纳米结构包括圆盘、纳米线和环等支持局域表面等离激元(LSPs),它对结构尺寸和形状的改变非常敏感。另一方面,表面等离极化激元(SPPs)是一种束缚在金属和介电质界面传播的电磁波模式。有趣的是在复杂等离激元系统中,两种或者以上相干的等离激元模式可能会同时存在,并相互作用形成Fano共振。相比单一的表面等离激元模式,Fano共振拥有尖锐的、不对称的谱线形状,并且对结构和外界介电环境的改变极其敏感。因此在磁等离激元纳米结构中引入Fano共振是一个很令人感兴趣的研究方向,它可以为系统的光学和磁光性质提供更多的自由度和良好的可控性。近年来关于磁等离激元系统的研究确实已经证实了很多种不同的现象,这些工作主要集中在验证LSPs或者SPPs的激发,以及相应引起的磁光效应增强。但是很少有研究能够揭示简单表面等离激元模式是如何能有效地耦合起来,并且进一步讲,这种耦合效应怎么样才能够被合适的控制以及如何导致新颖的磁光现象发生。在设计一个方便可调的Fano共振系统过程中,最严峻的挑战就是如何选择合适的等离激元模式并使其发生可控式耦合,特别是铁磁性金属中电子集体振荡时普遍存在着很强的阻尼效应,所以这种耦合更难以实现。在本论文中,我们利用激光干涉光刻、电化学沉积和磁控溅射的方法,成功地将Fano共振与磁光效应在人工设计的等离激元纳米结构中结合起来。我们的工作主要包括三个方面：1.在Co薄膜上用电化学电镀的方法,构建了二维正方排列的有序Ni纳米圆盘阵列。通过合理地设计结构的周期和尺寸大小,镍圆盘上的偶极LSPs模式与周期性正方排列带来的SPPs模式可以同时激发并形成Fano共振。我们还从实验和理论两方面研究了Fano共振造成的磁光克尔反转效应。2.然后我们改用溅射的方法制备了一维钴纳米条阵列,这种方法的可以避免由于电镀结构的粗糙度太大引起的光无规则散射,提高了样品的反射率并能优化其表面等离激元性质。实验发现条状阵列也可以产生耦合的Fano共振,它的反射谱线形状不对称性更高,反射率的变化非常剧烈。磁光效应测量的结果表明在这种结构中可以将纵克尔角增强4倍,还能通过改变结构几何参数控制克尔反转发生的位置。3.在前项工作的基础上,我们将贵金属银引入一维纳米条阵列,构筑了Ag/Co/Ag多层复合体系,并进一步优化了结构参数。这种体系可以充分结合利用贵金属优良的等离激元性质和铁磁性金属的磁光性质。实验测量得到了5倍以上的纵克尔角增强及谱线异常尖锐的克尔反转现象,同时横克尔效应达到了5%。总而言之,在我们的样品中,可调的Fano共振是通过LSPs和SPPs耦合实现的。而且我们进一步验证了在共振位置附近,自由电子的集体行为可以显著地改变样品的磁光克尔响应。在传统的铁磁性材料中引入Fano共振提供了一个能够调控磁光效应的新途径,它的作用远远大于材料本身属性所能带来的效果。可控的磁光克尔效应增强和反转可以用来发展以磁光效应为基础的新技术和器件。
【作者】高锦龙；
【导师】唐少龙；
【作者基本信息】南京大学，凝聚态物理，2014，博士
【关键词】表面等离激元；磁光效应；Fano共振；磁等离激元纳米结构；干涉光刻；

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