在表面等離子體激元學(xué)研究中，金屬納米粒子的光學(xué)特性是許多應(yīng)用的基礎(chǔ)，例如化學(xué)和生物醫(yī)學(xué)傳感、 表面增強(qiáng)光譜、和近場(chǎng)掃描光學(xué)顯微鏡。金或銀納米粒子中的電子與入射光場(chǎng)相互作用時(shí)產(chǎn)生局域表面等離子體共振 (LSPR)。這種 LSPR 現(xiàn)象強(qiáng)烈依賴于納米結(jié)構(gòu)的尺寸、形狀和周圍介電環(huán)境。特別是后者 的依賴性開(kāi)辟了一條折射率傳感的道路，對(duì)于一定的折射率變化，LSPR現(xiàn)象將導(dǎo)致較大的光譜偏移，從而可以檢測(cè)介電環(huán)境微小的變化。在實(shí)際應(yīng)用中，金屬納米結(jié)構(gòu)的損失是不可避免的。 為了實(shí)現(xiàn)低損耗器件，人們通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)幾何形狀和使用增益材料來(lái)降低損耗。超材料是共振金屬納米結(jié)構(gòu)，其晶胞遠(yuǎn)小于光的工作波長(zhǎng)，通過(guò)正確設(shè)計(jì)超材料中的電磁響應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)完美的吸收。一般來(lái)說(shuō)，在實(shí)際應(yīng)用中，理想的吸收體對(duì)入射角和光的偏振不敏感。

我們的傳感器方案提出了潛在的折射率傳感器平臺(tái)，其中局域表面等離子體共振傳感基于簡(jiǎn)單的反射率測(cè)量，只需使用單波長(zhǎng)光源就可完成。圖 1 展示了吸收體傳感器結(jié)構(gòu)的幾何形狀。它由兩個(gè)功能層組成：最上層是金納米盤陣列，最下層是金鏡，這兩層由 MgF2 電介質(zhì)隔開(kāi)。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為在垂直入射時(shí)在 x 和 y 方向上與偏振無(wú)關(guān)。

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)

為了證明我們的吸收器用作LSPR傳感器的可行性，圖2a顯示了空氣（n=1）和水（n=1.312）的仿真反射光譜，周圍介質(zhì)折射率的變化會(huì)導(dǎo)致反射光譜谷的移動(dòng)；圖2b展示進(jìn)一步研究LSPR折射率傳感器的靈敏性，將折射率差值為0.01的不同溶液作為周圍介質(zhì)進(jìn)行仿真，可以看出該器件具有高靈敏度。

圖2 (a)傳感器在水和空氣中的反射率光譜；(b) 傳感器的靈敏度仿真

由于金屬納米結(jié)構(gòu)的表面等離子共振強(qiáng)烈依賴于結(jié)構(gòu)的尺寸、形狀和周圍介電環(huán)境，因此我們對(duì)納米結(jié)構(gòu)的不同半徑和高度進(jìn)行仿真，以實(shí)現(xiàn)能夠運(yùn)用于不同波段的折射率檢測(cè)（圖3），因此也可以設(shè)置相應(yīng)的結(jié)構(gòu)大小滿足我們想要的波長(zhǎng)下的折射率傳感和檢測(cè)。

圖3 (a)不同半徑的Au納米盤反射率光譜；(b) 不同高度的Au納米盤反射率光譜

為了更好地理解等離子吸收的性質(zhì)，我們模擬了諧振時(shí)的縱向截面電場(chǎng)分布，如圖 4a 所示。 很明顯，光波入射時(shí)，兩層之間會(huì)產(chǎn)生局域電磁場(chǎng)的強(qiáng)烈增強(qiáng)。 因此，電磁場(chǎng)可以有效地限制在中間 MgF2 層中，導(dǎo)致光譜中出現(xiàn)明顯的反射率下降。圖 4b 顯示了等離子共振波長(zhǎng)下Au圓盤周圍的電近場(chǎng)強(qiáng)度剖面（橫向截面），可以看出Au圓盤邊緣周圍的電場(chǎng)強(qiáng)度顯著增強(qiáng)。

圖4 (a) xz截面的電場(chǎng)分布；(b) xy截面的電場(chǎng)分布

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