激光与光电子学进展, 2019, 56 (9): 090004, 网络出版: 2019-07-05  

全电介质纳米颗粒的制造及其应用 下载: 1451次

Fabrication and Application of All-Dielectric Nanoparticles
马浩 1,2,3赵元安 1,2,3,4,*邵建达 1,2,3
作者单位
1 中国科学院上海光学精密机械研究所薄膜光学实验室, 上海 201800
2 中国科学院大学材料与光电研究中心, 北京 100049
3 中国科学院强激光材料重点实验室, 上海 201800
4 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室, 长春 130033
图 & 表

图 1. 全电介质纳米颗粒中激发的磁偶极矩示意图[35]

Fig. 1. Schematic of magnetic-dipole moment excited in all-dielectric nanoparticles[35]

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图 2. 室温下晶体硅的光谱依赖特性[36]。(a)折射率实部和虚部;(b)电导电流和位移电流的比率

Fig. 2. Spectral dependence properties of crystalline silicon at room temperature[36]. (a) Real and imaginary parts of refractive index; (b) ratio between electrical conduction current and displacement current

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图 3. 不同条件下的纳米颗粒内的电场分布[37]。(a) MD共振;(b) ED共振

Fig. 3. Electric field distributions in nanoparticles under different conditions. (a) MD resonance; (b) ED resonance

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图 4. 通过光刻技术制备的高折射率电介质纳米颗粒的扫描电子显微镜(SEM)图。(a)空心Si圆柱 [38];(b)利用基于掩模的反应离子蚀刻获得的Si纳米颗粒[39];(c) Si纳米颗粒和另外沉积的Si3N4薄膜[40]

Fig. 4. Examples of high-index dielectric nanoparticles fabricated by lithography. (a) Scanning electron microscopy (SEM) image of hollow Si cylinder[38]; (b) Si nanoparticles obtained by means of reactive-ion-etching based on mask[39]; (c) Si nanoparticles with additionally deposited Si3N4 thin film[40]

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图 5. Si胶体及Si纳米颗粒的SEM图。(a) Si胶体的高倍放大SEM图像[41];(b)通过化学沉积获得的自对准Si纳米颗粒 [43]

Fig. 5. SEM images of Si colloids and Si nanoparticles. (a) High-magnification SEM images of silicon colloids [41]; (b) self-aligned silicon nanoparticles obtained by chemical deposition[43]

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图 6. Si纳米颗粒的暗场光学图及SiGe纳米颗粒的原子力显微镜(AFM)图。(a)通过薄膜去湿法刻蚀获得的Si纳米颗粒的暗场光学图 [44];(b)热去湿后接收阵列中的SiGe纳米颗粒的AFM图[46]

Fig. 6. Dark-field optical image of Si nanoparticles and atomic force microscope (AFM) image of SiGe nanoparticles. (a) Dark-field optical image of Si nanoparticles obtained by thin film dewetting[44]; (b) AFM image of SiGe nanoparticles in array received after thermal dewetting[46]

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图 7. 通过激光烧蚀方法制造的高折射率电介质纳米颗粒的实例。(a)通过飞秒激光烧蚀体硅获得的Si纳米颗粒的暗场光学图[47];(b) ZnO亚微球的透射电子显微镜(TEM)图[48];(c) CdSe亚微球的TEM图[48]

Fig. 7. Examples of high-index dielectric nanoparticles fabricated by laser ablation method. (a) Dark-field optical image of silicon nanoparticle obtained via femtosecond laser ablation of bulk silicon[47]; (b) transmission electron microscope (TEM) image of ZnO submicrosphere[48]; (c) TEM image of CdSe submicrosphere[48]

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图 8. 通过LIT方法制备的Si纳米颗粒的暗视野显微图[50]。(a)通过LIT方法制获得的非晶Si纳米颗粒阵列;(b)通过飞秒激光打印的Si纳米颗粒

Fig. 8. Examples of silicon nanoparticles fabricated by LIT method[50]. (a) Array of amorphous Si nanoparticles fabricated by LIT method and visualized with dark-field microscopy; (b) femtosecond laser printed Si nanoparticles

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图 9. 高折射率半导体材料纳米谐振器的共振特性。(a)高折射率电介质组成的立方形,球形或盘形谐振器[52];(b)有效的负磁导率μeff和有效的负介电常数εeff52;(c)在电或磁共振附近,高折射率碲谐振器的二维阵列的反射和透射光谱[21]

Fig. 9. Resonant characteristics of nano-resonators with high index semiconductor materials. (a) Cubic, spherical or disc-shaped resonators composed of high-index dielectric[52]; (b) effective negative magnetic permeability μeff and e?ective negative dielectric permittivity εeff52; (c) reflection and transmission spectra of two-dimensional arrays of tellurium resonators near electric or magnetic resonance[21]

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图 10. 两种类型的全电介质纳米天线方向性的波长依赖性[67]。(a)单个电介质纳米颗粒;(b)分离距离D=70 nm时Yagi-Uda型结构

Fig. 10. Wavelength dependence of directivity of two types of all-dielectric nano-antennas[67]. (a) Single dielectric nanoparticle; (b) Yagi-Uda-type structure when separation distance D is 70 nm

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图 11. 455 nm波长处超指向硅天线最大方向性与偶极源位置的依赖关系[68]

Fig. 11. Maximum directivity of super-directive nano-antenna versus position of dipole source at wavelength of 455 nm[68]

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图 12. 几种常见超材料结构。(a)(b)基于球形和圆柱形颗粒的全电介质超材料[77];(c)~(f)全电介质超表面[78,57,40]

Fig. 12. Several common metamaterial structures. (a)(b) All-dielectric metamaterial based on spherical and cylindrical particles[77] ; (c)-(f) all-dielectric metasurfaces[78,57,40]

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图 13. Si纳米盘阵列的三次谐波(THG)光谱及Si纳米天线方向性。(a)纳米盘阵列的THG光谱(紫点)及线性透射光谱(灰色区域)[26];(b)通过光激发动态重构Si纳米天线方向性(两个插图显示了具有最大强度的入射光束的散射图)[29]

Fig. 13. Spectrum for third harmonic generation (THG) of Si nanodisk array and directionality of Si nano-antenna. (a) THG spectrum of nanodisk array(purple dots)and linear transmission spectrum (gray area) [26]; (b)dynamical reconfiguration of Si nano-antenna directivity via photoexcitation, and scattering diagrams of incident beam at largest intensity shown in two insets[29]

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马浩, 赵元安, 邵建达. 全电介质纳米颗粒的制造及其应用[J]. 激光与光电子学进展, 2019, 56(9): 090004. Hao Ma, Yuanan Zhao, Jianda Shao. Fabrication and Application of All-Dielectric Nanoparticles[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2019, 56(9): 090004.

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