一种方形块-纳米棒双层手性结构

1.本发明涉及圆二色性应用技术领域，具体涉及一种方形块-纳米棒双层手性结构。


背景技术：

2.手性结构是指不能与其镜面重合的几何结构。除力学特性、电学特性外，手性结构还具有特殊的光学手性特性，例如圆二色性、非对称传输特性、圆偏振发光特性等。其中，圆二色性是指对入射圆偏振光来说，手性结构的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的透射率的差值。光和自然界中手性分子之间的相互作用弱；光和人工设计或人造的贵金属微纳结构之间的作用更强，即人造手性微纳结构展示出更强的圆二色性信号。这些人造手性微纳结构被广泛地应用于分析化学、生物传感、负折射材料、圆偏振器件等领域。
3.除难以加工制备的螺旋结构外，双层手性结构能够产生强圆二色性，受到研究者普遍的关注。双层手性结构是指双层贵金属结构，在双层贵金属结构之间应用介质层隔离；双层贵金属结构由各向异性结构构成，例如两个纳米棒构成，两个纳米棒之间具有一定的角度。为提高双层手性结构的圆二色性，研究者改变了双层贵金属结构的形状，做出了大量的研究工作。在这些研究中，普遍限定了上层贵金属结构和下层贵金属结构的相对位置，即中心在光入射方向上，对加工与制备的要求较高。克服传统设计圆二色性的思维惯性，从新的构思出发，设计出新型双层手性结构，对推广圆二色性的应用具有重要的意义。


技术实现要素：

4.为解决以上问题，本发明提供了一种方形块-纳米棒双层手性结构，包括衬底和手性单元，手性单元周期性地排布在衬底上，手性单元包括方形块、介质块、纳米棒，方形块置于衬底上，介质块置于方形块上，纳米棒置于介质块上，纳米棒的中心不在方形块的边平分线上。
5.更进一步地，周期为方形周期。
6.更进一步地，周期长度大于方形块的边长。
7.更进一步地，方形块和纳米棒的材料为贵金属。
8.更进一步地，贵金属的材料为金或银。
9.更进一步地，介质块的材料为二氧化硅。
10.更进一步地，衬底的材料为二氧化硅。
11.更进一步地，纳米棒延伸出方形块。
12.更进一步地，介质块的厚度小于100纳米。
13.更进一步地，纳米棒为长方体形。
14.本发明的有益效果：本发明提供了一种方形块-纳米棒双层手性结构，包括衬底和手性单元，手性单元周期性地排布在衬底上，手性单元包括方形块、介质块、纳米棒，方形块置于衬底上，介质块置于方形块上，纳米棒置于介质块上，纳米棒的中心不在方形块的边平分线上。在本技术中，双层手性结构包括方形块和纳米棒，依靠纳米棒与方形块在水平方向
上的相对位置实现圆二色性，不必要限定纳米棒与方形块的中心位置在水平方向一致，降低了制备难度，提出了实现圆二色性的新构思，在圆二色性应用方面具有良好的应用前景。
15.以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
16.图1是一种方形块-纳米棒双层手性结构的示意图。
17.图2是一种方形块-纳米棒双层手性结构的俯视图。
18.图3是一种本发明的透射光谱和圆二色性光谱图。
19.图4是共振波长处不同圆偏振光照射时的电荷分布。
20.图5是一种纳米棒延伸出方形块时，双层手性结构的示意图。
21.图6是一种纳米棒延伸出方形块时，双层手性结构的俯视图。
22.图7是纳米棒延伸出方形块时，双层手性结构的透射光谱和圆二色性光谱图。
23.图8是纳米棒延伸出方形块时，共振波长处不同圆偏振光照射时的电荷分布。
24.图9是纳米棒延伸出方形块时，纳米棒不同倾斜角度时的圆二色性光谱。
25.图中：1、衬底；2、方形块；3、介质块；4、纳米棒。
具体实施方式
26.为使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本技术作进一步详细说明。
27.实施例1
28.本发明提供了一种方形块-纳米棒双层手性结构，如图1和图2所示，包括衬底和手性单元。衬底的材料为二氧化硅。手性单元周期性地排布在衬底上。具体地，手性单元排布的周期为方形周期，周期长度大于方形块的边长，也就是说相邻手性单元中的方形块不接触，以便于入射光能够从本发明透射。手性单元包括方形块、介质块、纳米棒。方形块和纳米棒的材料为贵金属，具体地，贵金属的材料为金或银。介质块的材料为二氧化硅。方形块置于衬底上，介质块置于方形块上，纳米棒置于介质块上。纳米棒为长方体形。纳米棒的中心不在方形块的边平分线上。如图2所示，纳米棒的中心位置不在方形块的水平平分线上，也不在方形块的竖直平分线上。长方体纳米棒的长度方向与方形块的边长方向平行。纳米棒的长度方向不沿着方形块的对角线方向。为增强纳米棒与方形块之间的耦合，介质块的厚度小于200纳米，更进一步地，介质块的厚度小于100纳米。
29.在本技术中，双层手性结构包括方形块和纳米棒，依靠纳米棒与方形块在水平方向上的相对位置实现圆二色性，不必要限定纳米棒与方形块的中心位置在水平方向一致，降低了制备难度，提出了实现圆二色性的新构思，在圆二色性应用方面具有良好的应用前景。
30.一般地，在双层手性结构中，两侧结构均为各向异性结构；而在本发明中，下层结构为对称的方形块结构，突破了传统双层手性结构设计的构思，提出了设计双层手性结构的新思路。
31.在本发明中，方形块的尺寸大，上层的纳米棒更容易与下层的方形块耦合，因此，降低了对制备精度的需求。当本发明用以分子探测时，可以在方形块上设置手性分子，由于
方形块的面积大于上层纳米棒的面积，便于承接手性分子。方形块和上层的纳米棒耦合产生强手性场，而手性分子正好处于该手性场内，便于实现更高灵敏度的分子探测。
32.实施例2
33.在实施例1的基础上，应用comsol有限元软件计算了本发明方形块-纳米棒双层手性结构的透射光谱和圆二色性光谱。衬底的材料为二氧化硅，折射率为1.45。方形块排布的周期为800纳米
×
800纳米。方形块的边长为500纳米。方形块的材料为银。方形块的厚度为60纳米。介质块的厚度为60纳米，介质块的形状与方形块相同。纳米棒的长度为300纳米，纳米棒的宽度为100纳米，纳米棒的厚度为60纳米。纳米棒的长度方向与方形块的边长方向平行。纳米棒的右端面与方形块的右端面齐平。在竖直方向上，纳米棒的中心与方形块中心线之间的距离为100纳米。图3为上述结构参数时，双层手性结构的透射光谱和圆二色性光谱图。t表示透射，t-表示左旋圆偏振光(lcp)照射下的透射，t

表示右旋圆偏振光(rcp)照射下的透射，圆二色性定义为cd＝t
-t-。从图中可以看出，在左旋圆偏振光和右旋圆偏振光照射时，在波长为980纳米处形成透射谷，并且在该波长处产生了圆二色性信号。图4为该共振波长处不同圆偏振光照射时的电荷分布。从图中可以看出，纳米棒与方形块之间形成了强电场耦合，纳米棒表现为电偶极子共振模式，方形块上也表现为电偶极子共振模式。方形块上的电偶极子不沿着水平方向，也不沿着竖直方向，形成了倾斜分布，该倾斜分布与纳米棒上的电偶极子构成了产生圆二色性的基本要素，从而产生了圆二色性。图3和图4中的实验结果证明的本发明的核心构思。
34.实施例3
35.在实施例1的基础上，如图5和图6所示，纳米棒延伸出方形块。当纳米棒延长处方形块后，更多地错开了方形块上正电荷中心与负电荷中心之间的距离，在方形块上形成更强的局域表面等离激元共振，从而实现更强的圆二色性。也就是说，当纳米棒处于方形块上方时，纳米棒的两端均与方形块耦合，在方形块上形成正电荷中心和负电荷中心，这时正电荷中心和负电荷中心的距离小；当纳米棒延伸出方形块时，只有纳米棒的一端与方形块产生强耦合，在纳米棒的下侧，方形块上形成一种电荷中心，而在方形块的其他部位形成另一种电荷中心，两电荷中心的距离大，从而能够形成更强的电荷振动，从而产生更强的圆二色性。
36.实施例4
37.在实施例3的基础上，应用comsol有限元软件计算了当纳米棒延伸出方形块时，双层手性结构的透射光谱与圆二色性光谱。纳米棒延伸出方形块的长度为120纳米，如图7所示。其余的结构参数与实施例2相同。从图中可以看出，在波长840纳米处形成透射谷，也就是形成共振，并且在该波长处形成圆二色性。相比于纳米棒未延伸出方形块的情形，左旋和右旋的透射谱线分开，cd的数值变大。图8为共振波长处的电荷分布。从图中可以看出，相比于未延伸出方形块的情形，方向块上一种电荷局域在矩形棒的下面，另一种电荷分散在远离矩形棒偏移的一侧。这导致方形块上形成一种电荷中心，而在方形块的其他部位形成另一种电荷中心，两电荷中心的距离大，从而能够形成更强的电荷振动。数值计算结果表明，当纳米棒延伸出方形块后，双层手性结构能够产生更强的圆二色性。
38.实施例5
39.在实施例4的基础上，纳米棒相对于方形块边长方向倾斜设置，纳米棒的长度方向
与方形块的边长方向的夹角大于0度、小于60度。如图9所示，当纳米棒的长度方向与方形块边长方向夹角增加时，圆二色性增强；当该夹角为30度时，圆二色性达到最大值。因此，本发明不仅公开了纳米棒的中心相对于方形块的中心的位置能够产生圆二色性，而且公开了纳米棒相对于方形块的角度也是调控圆二色性的重要因素，并发现了当上述角度为30度时，双层手性结构实现了最强的圆二色性。
40.更进一步地，延伸出方形块的纳米棒的端部与相邻方形块之间的水平距离小于20纳米。这样一来，纳米棒的端部与相邻方形块之间产生耦合，使得单个方形块上的电荷中心更集中分布，在方形块上产生更强的电荷振动，从而产生更强的圆二色性。
41.更进一步地，延伸出方形块的纳米棒的端部置于相邻方形块的上侧。这样一来，纳米棒的一端与一个方形块产生强耦合，纳米棒的另一端与另一个方形块产生强耦合，不仅更加强了方形块上的电荷振动，而且加强了纳米棒上的电荷振动，从而实现更强的圆二色性。
42.以上所述仅为本技术的较佳实施例而已，并不用以限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术保护的范围之内。