納米天線的超常特性及應(yīng)用

1、納米天線的超常特性及應(yīng)用納米天線的超常特性都世民最近筆者發(fā)現(xiàn)有多則科技報道與納米光學(xué)天線有關(guān)。為此從百度文庫、道客巴巴文庫、 光明網(wǎng)、科學(xué)網(wǎng)、騰訊網(wǎng)、國家納米研究中心網(wǎng)、中科院納米研究中心網(wǎng)等，查詢納米光學(xué) 天線有關(guān)資料，分析整理后，對有關(guān)問題進(jìn)行一些討論。近日，武漢大學(xué)電子信息學(xué)院， 用一種新穎的反射式金納米天線陣列，成功應(yīng)用於激光全息領(lǐng)域。這是一種在襯底表面加工出超薄金屬微納結(jié)構(gòu)材料，與光波相互作用，呈現(xiàn)出一些超常特性。武漢大學(xué)鄭國興與伯明翰大學(xué)教授張霜開展合作，在實驗中不僅捕捉到令人滿意的愛因斯坦激光全息圖像，而且實現(xiàn)了高達(dá)80%的實測衍射效率。這一成果超越了傳統(tǒng)材料的激光全息水平，而且

2、工藝流程大大簡化一一僅需一步光刻工藝。另據(jù)報道，蘇格蘭大學(xué)物理學(xué)聯(lián)盟高校的科學(xué)家， 在實驗室內(nèi)成功降低了光的速度， 即 便光子回到自由的空間中， 仍然以較低的速度運行。 在自由空間中光速接近每秒 30萬公里， 當(dāng)光通過諸如冰體、 玻璃等材料時，光速會出現(xiàn)降低，但只要它再次返回自由空間中，其速度就會回歸正常。美國伊利諾斯大學(xué)厄本那一香檳分校一個研究小組基曼尼圖森特,用已制作好的納米陣列結(jié)構(gòu)，在電子掃描顯微鏡下，調(diào)整陣列，實現(xiàn)對等離子光學(xué)性質(zhì)進(jìn)一步重組。因此人們能在制作好之后，決定所需的納米結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對光波的控制。這種納米天線陣列為柱-領(lǐng)結(jié)納米天線（p-BNA ）陣列模板，每根直徑約 250納米，

3、用 金制作成領(lǐng)結(jié)狀柱塊，“領(lǐng)結(jié)”下墊有500納米高的玻璃柱。用掃描電子顯微鏡（SEM）發(fā)出的電子束，可以讓單根或多根p-BNA子陣列，以60納米/秒的速度變形。在電子束的激發(fā)下，等離子推動納米天線陣列，使其出現(xiàn)明顯變形，這在金粒子之間形成納牛（10的負(fù)9次方牛）量級的受力差異。2015-03-05，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)設(shè)計了一類尺寸為50納米，且具有內(nèi)凹型結(jié)構(gòu)的金屬鈀納米材料，通過降低結(jié)構(gòu)對稱性和增大顆粒尺寸，使其能夠在可見光寬譜范圍內(nèi)吸光，吸光后的光熱效應(yīng)足以為有機(jī)加氫反應(yīng)提供熱源。納米結(jié)構(gòu)的尖端棱角處具有超強(qiáng)的聚光能力從而產(chǎn)生局部高溫。內(nèi)外科技專家上述研究進(jìn)展，這些成果很受關(guān)注。 無論是軍用或

4、民用上，這些成果的轉(zhuǎn)化都可能產(chǎn)生顛覆性影響。其應(yīng)用前景十分廣闊。 當(dāng)然這些領(lǐng)域的研究是相互交叉的，有一個較長時期的融合過程。將會在哪些方面出現(xiàn)巨大變化，還需試目以待。這是筆者關(guān)注的原因之一。另外，筆者從事天線技術(shù)五十年，專業(yè)上愛好和興趣也是一個原因。納米光學(xué)天線的基本關(guān)注點size=14.0000pt1.納米光學(xué)天線最小尺寸納米光學(xué)天線與傳統(tǒng)天線比較，首先在維度上是最小尺寸。1985年，wessel教授基于金屬小顆粒能有類似于傳統(tǒng)天線接收入射電磁波的屬性，最早提出光學(xué)天線的概念。隨后，Pohl教授對這種類似性進(jìn)行系統(tǒng)的討論， 通過比較近場光學(xué)探針與傳統(tǒng)天線的相似性， 得出傳統(tǒng) 天線理論可以應(yīng)用

5、于近場光學(xué)。 由于光學(xué)偶極子天線諧振長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于入射光半波長， 這與 傳統(tǒng)天線理論相悖，Novotny教授用有效波長的概念解決了該問題。2010年03月17日新華網(wǎng)報道：日本廣島大學(xué)的研究小組日前開發(fā)出納米級超小型天線.天線寬75至125納米、長500納米，相當(dāng)于把普通電視天線縮小到百萬分之一。構(gòu)成天線 的5根 枝杈”是用金制作的，固定在透明的氧化硅板中。這種天線能夠收發(fā)波長為400至800納米的電磁波。納米光學(xué)天線是自赫茲發(fā)明天線以來，所有天線中最小天線，它的工作頻段進(jìn)入光頻段，即 THz。然而納米天線進(jìn)入光頻段，出現(xiàn)一些超常特性。2.納米光學(xué)天線的超常特性天線是接收和輻射電磁能的工具，具有

6、非常廣泛的應(yīng)用，在光學(xué)波段可以利用光學(xué)天線在納米尺度對光波進(jìn)行調(diào)控?；诒砻娴入x子體共振的納米光學(xué)天線的一個獨特性質(zhì)是約束場。一個很小金屬顆粒受光激后，經(jīng)常被看作一個偶極子天線，納米粒子可以通過外場的激發(fā)， 而成為光源，并擁有其獨特的光學(xué)性能。納米天線對特定波長的輻射，具有強(qiáng)吸收和強(qiáng)散射 的特性，該特性與粒子的大小、形狀、介質(zhì)環(huán)境等因素緊密相關(guān)。當(dāng)表面等離子體諧振時，納米金屬粒子的極化作用明顯增強(qiáng)，誘發(fā)的偶極子也極大地增強(qiáng)，這也導(dǎo)致電磁場大大增強(qiáng)。這種性能常常被用來增強(qiáng)某些光學(xué)過程的弱輻射截面，如拉曼散射、熒光現(xiàn)象或者提高非線性光學(xué)響應(yīng)。 這種性能與微波線天線受外場激勵后， 在諧振狀態(tài)， 產(chǎn)生

7、的感應(yīng)電流在平行極化時，會使天線輻射場明顯增強(qiáng)，這兩者有相類似的現(xiàn)象。A. 頻譜調(diào)控：據(jù)科學(xué)時報2010年1月27日報道：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)科研人員發(fā)現(xiàn)：無線電通信天線尖端尺寸減少到納米量級，并非常接近另一金屬表面而形成一個納米腔室時，就可以調(diào)控局域等離激元諧振模式，來對腔內(nèi)熒光體的發(fā)光特性進(jìn)行有效控制，在光頻區(qū)實現(xiàn)新奇的電光效應(yīng)：電致熱熒光、上轉(zhuǎn)換發(fā)光和“彩色”頻譜調(diào)控。這些發(fā)現(xiàn)及其隱含的物理機(jī)制，揭示了局域的納腔等離激元場， 可以作為一種近場相干光源，在光電耦合與轉(zhuǎn)化過程中，起著至關(guān)重要的調(diào)控與放大作用，為納米光電集成提供了新的思路。B. 實現(xiàn)高增益單波束輻射：單向納米天線可以為任何無方向性

8、的光發(fā)射器（如微激光器、納激光器或等離子激光器（Spasers）,甚至量子點）引入方向性。立方體天線通過精確控制光束寬度與方向，實現(xiàn)光會聚。特殊結(jié)構(gòu)的納米天線能夠改變與其相耦合的點光源的方向性，甚至可實現(xiàn)高增益單波束輻射。調(diào)天線單元間距可實現(xiàn)對光束指向的微調(diào)。C. 利用非對稱光學(xué)縫隙納米天線，可以調(diào)控光的耦合和輻射方向。D. 圓偏振光的調(diào)控：利用L形光學(xué)縫隙納米天線，通過調(diào)節(jié)天線尺寸來改變兩個相互正交的線偏振的不同模式的相位，可以獲得90度的相位差和近似相等的強(qiáng)度，從而實現(xiàn)圓偏振光。E. 增強(qiáng)自發(fā)光輻射：用由金制成的外部天線，來增強(qiáng)銦鎵砷磷 （InGaAsP）制成的納米棒的 自發(fā)光輻射，可增加

9、 115倍。F. 產(chǎn)生開關(guān)效應(yīng)：由北京大學(xué)物理學(xué)院、美國Rice大學(xué)、國家納米科學(xué)中心、北京大學(xué)前沿交叉學(xué)院共同合作完成的導(dǎo)電襯底金屬九聚體納米天線結(jié)構(gòu)Fano共振開關(guān)效應(yīng)”.G. 改變納米天線尺寸與波長的關(guān)系 ：使用不規(guī)則碎片形狀，可改變納米天線尺寸至非常小， 或增大至人類頭發(fā)的寬度H. 改善天線的性能：使用3D打印技術(shù)制成的半球立體天線，其性能比普通的單極天線高一 個數(shù)量級，同時也能大大減小納米天線尺寸，不足波長的十二分之一I. 創(chuàng)建負(fù)折射現(xiàn)象來控制光的偏振 ：2011年12月26日，科技日報報道：（）實驗證明，纖細(xì)的等離子體納米天線陣列能采用新奇的方式對光進(jìn)行精確地操控，改變光 的相位，

10、形成負(fù)折射現(xiàn)象通過改變光的相位，能顯著改變光的傳播方式，同一種光波通過 折射率不同的物質(zhì)時，相位就會發(fā)生變化。創(chuàng)建負(fù)折射現(xiàn)象，也可以控制光的偏振。有別于經(jīng)典的折射和反射定律。普渡大學(xué)的科研團(tuán)隊制造出了這種納米天線陣列，光波波介于1微米（百萬分之一米）到1.9微米之間的近紅外光附近，大大改變了光波的相位和傳播方向。J. 控制和引導(dǎo)吸收光的能量：據(jù)美國物理學(xué)家組織網(wǎng) 2011年7月10日報道，加拿大科學(xué)家從植物的光合作用裝置 一一捕光天線中獲取靈感，研制出了新型納米捕光天線”，它能控制和引導(dǎo)吸光能量。這是整合在 DNA （脫氧核糖核酸）和半導(dǎo)體研究兩方面的先進(jìn)成果，發(fā)明了這種方法，讓某些類型的納米

11、粒子相互依附在一起，自我組裝成最新的納米天線復(fù)合物，并將這種由量子點自我組裝而成的材料命名為人造分子”。令人吃驚的是，這種天線能自我組裝而成，用篩選出來的特定DNA序列包裹不同類型的納米粒子，將其整合在一起。隨后按照自然規(guī)律，自我組裝成擁有特定屬性的類似于分子的納米粒子復(fù)合物。這種新型納米天線能增加吸收光的能量，還可以將此光能量釋放到該復(fù)合物內(nèi)特定的位置上。新復(fù)合物也能捕捉太陽光中所包含的各種波長的光。這是一種新型能量產(chǎn)生器，這對探索小宇宙內(nèi)能量形成機(jī)制有很好的啟發(fā)。K.調(diào)控光的速度：蘇格蘭大學(xué)物理學(xué)聯(lián)盟高校的科學(xué)家，在實驗室內(nèi)成功降低光的速度，即便光子回到自由的空間中，仍然以較低的速度運行。

12、K. 重組光的性質(zhì)：納米紋理表面就像一種預(yù)編程序，入射光與表面相互作用后，光的性質(zhì) 就會發(fā)生改變。用已制作好的納米陣列結(jié)構(gòu)，在電子掃描顯微鏡下對陣列進(jìn)行調(diào)整，實現(xiàn) 對等離子光學(xué)性質(zhì)進(jìn)一步重組。因此能在制作好之后，而不是之前，決定所需的納米結(jié)構(gòu) 來改變光的性質(zhì)。size=15.0000pt3.納米光學(xué)天線形狀與結(jié)構(gòu)納米光學(xué)天線結(jié)構(gòu)種類繁多，常見結(jié)構(gòu)：分別是納米棒、蝴蝶結(jié)形、納米粒子對、八木-宇田天線、納米粒子陣列。對稱振子納米光學(xué)天線，由兩片金屬薄膜和饋電間隙構(gòu)成。共振時天線長度約為入射光波長的一半。振子臂形狀除了長方形外，也可以為梯形，蝴蝶結(jié)形、圓盤形、三角形等。金屬納米顆粒的不同結(jié)構(gòu)或組合決

13、定了其等離子體共振峰值的位置，也就是結(jié)構(gòu)決定其工作波長。不同結(jié)構(gòu)的納米天線具有不同的光學(xué)性能，這也提供了對基于納米光學(xué)天線的光學(xué)元件的調(diào)控方法。新近科技報道表明，納米光學(xué)天線還有下列形狀：A. 澳大利亞spacedaily網(wǎng)站2015年2月25日報道：澳大利亞科學(xué)家發(fā)明200納米絕緣材料組成的立方體形狀的納米天線性能優(yōu)于先前的由導(dǎo)體和半導(dǎo)體材料組成的球形天線。B. 納米光學(xué)L形縫隙天線，可以輻射出圓偏振光。C. 不規(guī)則碎片形，也就是說它們由重復(fù)樣板組成，復(fù)制最小屬性的形狀，以打造相似卻更 大的結(jié)構(gòu)。使用這一不規(guī)則碎片形法，意味著研究人員研發(fā)的納米天線可縮小至非常小的尺 寸，或擴(kuò)大至人類頭發(fā)的寬

14、度 D3D立體半球天線美國伊利諾伊大學(xué)電子和計算機(jī)工程系以及材料科學(xué)和工程系的兩位教授聯(lián)手，造出了一種突破性的3D天線”。使用納米級的“銀墨水”，用類似打印機(jī)的原理，在一顆半球體表面 上“打印”出了依附在弧形表面上的立體天線。這種3D立體天線的性能比普通的單極天線高一個數(shù)量級，同時尺寸也能大大縮小，不足波長的十二分之一。通過計算機(jī)設(shè)計多種天線 形狀，可以實現(xiàn)在各種基板，包括塑料薄膜、紙質(zhì)、陶瓷等表面，實現(xiàn)一鍵”打印天線，該技術(shù)非常便捷，可以實現(xiàn)諸如辦公室打印文檔一樣快速打印制造天線。E. V型結(jié)構(gòu)納米天線：普渡大學(xué)的科研團(tuán)隊制造出了納米天線陣列，這種納米天線是蝕刻在一層硅上方的金做成的 V型結(jié)

15、構(gòu)，它們是一種“超材料”（一般都是所謂的等離子體結(jié)構(gòu) ），寬40納米。科學(xué)家們也已證明，他們能讓光通過一個寬度僅為光波波長五十分之一的超薄“等離子體納米天線層”。F. 人造分子式納米天線：讓某些類型的納米粒子相互依附在一起，自我組裝成最新的納米天線復(fù)合物，將這種由量子點自我組裝而成的材料命名為人造分子”。G. Bow-tie金屬天線，通過利用雙光子熒光增強(qiáng)作用，得到了天線間隙處場增強(qiáng)大約在1000量級。Bow-tie天線間隙處的場高度增強(qiáng)，應(yīng)用于雙光子聚合，得到30 nm的分辨率。H. 單極納米天線：在SNOM針尖上，制備單極光學(xué)天線，探測單分子熒光，得到了25nm的光學(xué)分辨率。I. 金子塔形

16、的納米天線：荷蘭阿姆斯特丹FOM研究所和飛利浦研究所的研究人員，設(shè)計了一種新型小金子塔形的納米天線，而不是通常所采用的直柱形。這種形狀能夠增強(qiáng)光的電場與磁場之間的干涉，使場增強(qiáng)或改變光束的方向。size=15.0000pt4.納米光學(xué)天線的材料按材料的不同，光學(xué)天線可分為介質(zhì)光學(xué)天線和金屬光學(xué)天線。其中，介質(zhì)光學(xué)天線可以作為近場光學(xué)探針對樣本表面的隱逝場進(jìn)行散射，實現(xiàn)局域場與傳播場的相互轉(zhuǎn)換。金屬（金、銀、銅、鋁等）光學(xué)天線，一般由金屬納米結(jié)構(gòu)組成，利用金屬納米結(jié)構(gòu)與光的作用，實現(xiàn) 傳播場與局域場的相互轉(zhuǎn)換和電磁場局域增強(qiáng)。A. 對稱振子納米光學(xué)天線，由兩片金屬薄膜和饋電間隙構(gòu)成。兩片金屬薄膜

17、材料多為金、 銀，也可用碳納米管制成。B. 3D立體半球天線.使用納米級的 銀墨水”用類似打印機(jī)的原理，在一顆半球體表面上 打印”出了依附在弧形表面上的立體天線。C. 納米捕光天線”讓某些類型的納米粒子相互依附在一起，自我組裝成最新的納米天線復(fù)合物，這種由量子點自我組裝而成的材料命名為人造分子”。D. 創(chuàng)建負(fù)折射現(xiàn)象，控制光的偏振。有別于經(jīng)典的折射和反射定律制造出了納米天線陣列并大大改變了光波波長介于1微米（百萬分之一米）到1.9微米之間的近紅外線附近光波的相位和傳播方向。E. 使用由金制成的外 部天線，并使 用銦鎵砷磷（InGaAsP）制成納米棒光學(xué)天線。F. 用一種新穎的反射式金納米天線陣

18、列，在襯底表面加工出超薄金屬微納結(jié)構(gòu)材料，與光 波相互作用，呈現(xiàn)出一些超常特性。G. 使用絕緣材料組成的立方體形狀的納米天線。H. 使用由導(dǎo)體和半導(dǎo)體材料組成的球形天線。I. 使用微型半導(dǎo)體量子級聯(lián)（QC）激光器,在QC激光器上安裝納米天線，實現(xiàn)了納米級的精 度對激光點聚焦，從而可以使QC激光器執(zhí)行亞微米級的掃描。使分辨率提高到可見光波長 的百分之一。使體積更小，有更好的信噪比。J. 石墨烯制作的納米天線： 佐治亞理工學(xué)院 （Georgia Institute of Technology）的研究人員，通過計算機(jī)模擬，用 石墨烯制作的納米天線，可以用于納米機(jī)器的網(wǎng)絡(luò)中。除了能夠在納米機(jī)器之間通信外，石墨烯天線還能用于移動手機(jī)和網(wǎng)絡(luò)連接的筆記本上，使它們得 到更遠(yuǎn)的通信距離。石墨烯使用非常少的能源就能夠運行。由于石墨