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电介质球复合纳米天线对荧光定向发射的增强

米智 陈智辉 杨毅彪 费宏明 刘欣

米智, 陈智辉, 杨毅彪, 费宏明, 刘欣. 电介质球复合纳米天线对荧光定向发射的增强[J]. 中国光学, 2020, 13(1): 121-130. doi: 10.3788/CO.20201301.0121
引用本文: 米智, 陈智辉, 杨毅彪, 费宏明, 刘欣. 电介质球复合纳米天线对荧光定向发射的增强[J]. 中国光学, 2020, 13(1): 121-130. doi: 10.3788/CO.20201301.0121
MI Zhi, CHEN Zhi-hui, YANG Yi-biao, FEI Hong-ming, LIU Xin. Enhancement of directional luminescence emission by dielectric spheres hybrid nano-antenna[J]. Chinese Optics, 2020, 13(1): 121-130. doi: 10.3788/CO.20201301.0121
Citation: MI Zhi, CHEN Zhi-hui, YANG Yi-biao, FEI Hong-ming, LIU Xin. Enhancement of directional luminescence emission by dielectric spheres hybrid nano-antenna[J]. Chinese Optics, 2020, 13(1): 121-130. doi: 10.3788/CO.20201301.0121

电介质球复合纳米天线对荧光定向发射的增强

doi: 10.3788/CO.20201301.0121
基金项目: 

国家自然科学基金资助项目 11674239

国家自然科学基金资助项目 61575139

国家自然科学基金资助项目 61575138

详细信息
    作者简介:

    米智(1991-), 男, 山西大同人, 硕士研究生, 2015年于山东师范大学获得学士学位, 现就读于太原理工大学新型传感器与智能控制教育部/山西省重点实验室光学工程专业, 主要从事微纳光子学方面的研究。E-mail:1982987116@qq.com

    陈智辉(1984-), 男, 山西太原人, 博士, 教授, 博士生导师, 2006年于北京邮电大学获得学士学位, 2012年于瑞典皇家工学院获得博士学位, 现任职于太原理工大学新型传感器与智能控制教育部/山西省重点实验室, 主要从事微纳光子学方面的研究。E-mail:huixu@126.com

  • 中图分类号: O432.1

Enhancement of directional luminescence emission by dielectric spheres hybrid nano-antenna

Funds: 

National Natural Science Foundation of China 11674239

National Natural Science Foundation of China 61575139

National Natural Science Foundation of China 61575138

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出版历程
  • 收稿日期:  2019-04-04
  • 修回日期:  2019-05-14
  • 刊出日期:  2020-02-01

电介质球复合纳米天线对荧光定向发射的增强

doi: 10.3788/CO.20201301.0121
    基金项目:

    国家自然科学基金资助项目 11674239

    国家自然科学基金资助项目 61575139

    国家自然科学基金资助项目 61575138

    作者简介:

    米智(1991-), 男, 山西大同人, 硕士研究生, 2015年于山东师范大学获得学士学位, 现就读于太原理工大学新型传感器与智能控制教育部/山西省重点实验室光学工程专业, 主要从事微纳光子学方面的研究。E-mail:1982987116@qq.com

    陈智辉(1984-), 男, 山西太原人, 博士, 教授, 博士生导师, 2006年于北京邮电大学获得学士学位, 2012年于瑞典皇家工学院获得博士学位, 现任职于太原理工大学新型传感器与智能控制教育部/山西省重点实验室, 主要从事微纳光子学方面的研究。E-mail:huixu@126.com

  • 中图分类号: O432.1

摘要: 在纳米光子学中,提高荧光物质的定向发光强度是许多应用要解决的关键问题。为了优化电介质纳米天线的荧光增强能力,本文提出了一种由硅纳米球二聚体与TiO2微球组成的电介质球复合纳米天线。通过时域有限差分法,本文分别从量子产率增强、荧光收集效率增强以及荧光激发率增强3个方面研究了该复合纳米天线对荧光的增强效果。结果表明,这种复合纳米天线不仅可以解决单个TiO2微球增强荧光时量子产率较低的问题,还可以弥补单个硅纳米球二聚体增强荧光时荧光收集效率较差的不足。该复合纳米天线可使CdSe量子点的量子产率增强约4倍、荧光收集效率增强约2倍。此外,由于硅纳米球二聚体与TiO2微球对荧光激发过程具有增强效果,该复合天线最终可以产生较高的荧光定向增强倍数。在量子点发光的中心波长523 nm处,荧光定向增强约为3 064倍。

English Abstract

米智, 陈智辉, 杨毅彪, 费宏明, 刘欣. 电介质球复合纳米天线对荧光定向发射的增强[J]. 中国光学, 2020, 13(1): 121-130. doi: 10.3788/CO.20201301.0121
引用本文: 米智, 陈智辉, 杨毅彪, 费宏明, 刘欣. 电介质球复合纳米天线对荧光定向发射的增强[J]. 中国光学, 2020, 13(1): 121-130. doi: 10.3788/CO.20201301.0121
MI Zhi, CHEN Zhi-hui, YANG Yi-biao, FEI Hong-ming, LIU Xin. Enhancement of directional luminescence emission by dielectric spheres hybrid nano-antenna[J]. Chinese Optics, 2020, 13(1): 121-130. doi: 10.3788/CO.20201301.0121
Citation: MI Zhi, CHEN Zhi-hui, YANG Yi-biao, FEI Hong-ming, LIU Xin. Enhancement of directional luminescence emission by dielectric spheres hybrid nano-antenna[J]. Chinese Optics, 2020, 13(1): 121-130. doi: 10.3788/CO.20201301.0121
    • 纳米光子学中许多应用要解决的关键问题是如何增强荧光物质(荧光分子、量子点[1-2]等)的定向光发射信号强度,这对于提高发光器件以及其他光子设备的性能有重要意义。提高荧光物质的定向发光强度可以通过适当改变荧光物质周围的电磁环境来实现[3],而微纳结构[4]因其独特的电磁作用模式[5]成为了研究的重点。近10年来,利用金属等离子体天线[6-8]实现荧光定向增强的报道有很多。例如,2008年,Aslan等人[6]提出了一种由SiO2包覆的Zn纳米颗粒组成的二聚体纳米天线,利用金属局域等离子体共振增强荧光效应,使罗丹明800的荧光强度定向增强了20倍。2010年,Kosako等人[7]使用金纳米棒设计了一种适用于光频范围的Yagi-Uda天线,并在实验上证明了其对单个点光源辐射模式的定向控制作用。2018年Andersen等人[8]采用电子束刻蚀法在银薄膜上制作了TiO2同心圆环,形成一种牛眼结构等离子体天线,使得纳米金刚石中氮空缺色心的辐射衰减率增强了18倍,且获得了5度的定向发射角。尽管金属等离子体天线在荧光定向增强上取得了显著的成功,但是金属固有的高电导率却造成了荧光的大量损耗[9-13],尤其是当荧光物质距离金属表面很近时(一般小于10 nm),荧光会发生淬灭[9, 12, 14],此外,荧光欧姆损耗产生的大量焦耳热会使微环境升温[13-14],使得金属纳米天线不能用于一些对温度敏感的发光器件。

      电介质材料由于具有较低的光损耗性,可以避免荧光淬灭与大量焦耳热的产生[13],因此在新型发光器件上具有巨大的应用潜力。电介质纳米天线可以按制作材料分为折射率较高型(Si、Ge等)与折射率较低型(SiO2、TiO2等)两种。折射率较高的电介质纳米天线对荧光的增强机理是荧光或激发光与纳米天线作用后产生了米氏共振现象[14]。例如,2016年,Bouchet等人[12]采用硅纳米圆盘作为天线使直径为100 nm的荧光球的发光增强,使其辐射衰减率增加了15%。2018年,Cambiasso等人[11]将β-carotenal分子层沉积在硅纳米圆柱组成的二聚体天线上,产生了470倍左右的荧光增强。折射率较低的电介质纳米天线对荧光的定向增强是由于激发光或荧光照射到电介质结构后产生的米氏散射光再发生干涉导致的。例如,2009年,Gérard等人[15]采用一个直径为2 μm的乳胶微球作为纳米天线,使Alexa 647的荧光定向增强了5倍。2014年,Yan等人[16]将直径为5 μm的聚苯乙烯微球阵列沉积在ZnO发光薄膜上,使其紫外发光强度定向增强了10倍。总之,使用较高折射率电介质纳米天线可以使荧光物质的量子产率获得很大的提升,但荧光的定向效果不是很好;而使用折射率较低的电介质纳米天线可以产生很好的荧光定向发射效果,但对荧光物质本身的量子产率提升效果很差。原因是:(1)在荧光量子产率提升方面,高折射率电介质纳米粒子(Si等)可以通过米氏共振来提高荧光物质的量子产率。当荧光与电介质粒子发生米氏共振时,荧光物质的辐射衰减率会得到增加[10],同时由于低损耗电介质材料产生的荧光非辐射衰减率较低[10, 17],米氏共振可以产生较高的量子产率增强[10, 17]。而低折射率纳米粒子不能与荧光作用产生米氏共振现象,因此不能有效提高荧光量子产率[18]; (2)在荧光辐射的定向性方面,发生米氏共振的高折射率纳米粒子和仅发生普通米氏散射的低折射率纳米粒子对荧光定向性的调控是不同的。当发生米氏共振时,纳米粒子-偶极子源复合发射体几乎完全保留了孤立偶极子源(对称辐射分布[19])的辐射模式[20],因此米氏共振调控下的荧光辐射一般也是对称地分布在两个方向上的[17]。而当荧光照射到低折射率纳米粒子上发生米氏散射后,散射光是大部分朝着光传播方向的正前方分布的[21]。因此,将两种折射率的电介质纳米天线组合起来,既可以增强量子产率, 也可以解决定向性不好的问题。

      本文提出了一种由硅纳米球二聚体与TiO2微球复合而成的电介质纳米天线。由于兼具硅纳米球二聚体以及TiO2微球在荧光增强上的优势,该复合纳米天线可以对CdSe量子点产生较大的量子产率增强、较高的荧光激发率增强以及比较好的定向收集效率。综合上述3方面要素得出,该复合纳米天线可以对量子点荧光产生较高的定向增强倍数。特别地,当波长处于CdSe量子点发光的中心波长(523 nm)处时,荧光的定向增强约为3 064倍。本文通过时域有限差分法(Finite Difference Time Domain, FDTD)将复合纳米天线与单个硅纳米球二聚体以及TiO2微球进行对比,分别研究了它们对量子点量子产率增强、荧光激发率增强以及定向收集效率增强效果,并将结果进行了对比分析。然后,将3个荧光定向增强要素结合起来研究了3种纳米天线对量子点总的荧光定向增强效果。

    • 图 1(彩图见期刊电子版)展示了三维纳米天线结构在xz面的截面图。图 1(a)图 1(b)中展示的是两种对比结构,它们分别是硅纳米球二聚体天线(简称为Si dimer)与TiO2微球纳米天线(简称为TiO2 sphere)。图 1(c)表示的是本文提出的电介质球复合纳米天线(简称为trimer)。坐标原点处的绿色点代表量子点。这里所用的量子点是发绿光的CdSe量子点[22],它的中心波长是523 nm,半高宽是30 nm。图 1(b)图 1(c)中TiO2微球的直径都是600 nm,球心都在x轴负半轴上,且它们最右端离量子点的距离都是30 nm。图 1(a)图 1(c)中硅纳米球的直径都是50 nm,球心都在z轴上。硅纳米球二聚体中两硅球的间隔是10 nm,且量子点位于二聚体间隔的中心位置处。在量子点发光波段,TiO2材料的折射率约为2.5,Si的折射率约为4.2,3种纳米天线处的背景材料都是PMMA。在实验制备方面,可以预先制备独立的硅纳米球和TiO2微球,然后将TiO2微球和两个硅纳米球嵌入含有量子点的PMMA溶液中并进行移动定位,最后冷却凝固[23]

      图  1  3种纳米天线的二维截面图

      Figure 1.  Two-dimensional cross sections of three nano-antennas

    • 在本文中,纳米天线对量子点荧光的定向增强主要是通过3个方面实现[15, 24]:(1)在荧光发射过程中,荧光与纳米天线相互作用后会使量子点的量子产率得到提升。(2)在荧光发射过程中,纳米天线与荧光相互作用后会改变荧光的远场辐射模式,使荧光朝着信号探测器方向汇聚,从而提高荧光的定向收集效率。(3)在激发过程中,激发光与纳米天线相互作用后会使量子点所处位置的局域电场得到增强,增强的电场有助于量子点荧光激发率的提高。在荧光定向增强的3个要素里面,量子产率和荧光激发率二者共同决定量子点辐射到远场总的光能量的多少,而荧光定向收集效率则决定了总辐射光能量有多少能进入探测器。

      在发射过程中,纳米天线对量子点量子产率增强(相比裸量子点)的仿真计算公式为[24-25]

      (1)

      其中,η0是PMMA背景中裸量子点的固有量子产率, 这里取η0=0.1[22]。由于量子产率是指激发态分子中通过发射荧光而回到基态的分子占全部激发态分子的比例,所以量子点的量子产率一般小于1。frad为辐射衰减率增强,辐射衰减率在实际的荧光辐射过程中表示激发态分子以光子辐射形式退激跃迁过程的快慢,frad的仿真计算公式是:

      (2)

      fpurcell为总衰减率增强,也称珀赛尔因子[25],总衰减率在实际的荧光辐射过程中表示激发态分子以辐射形式和非辐射形式共同退激跃迁的快慢,fpurcell的仿真计算公式是:

      (3)

      图 2为存在纳米天线及无纳米天线的裸量子点的辐射功率,其中,P0是裸量子点的辐射总功率,Prad是纳米天线-量子点复合体的远场辐射总功率,Ptotal是纳米天线-量子点复合体中量子点的辐射总功率。

      图  2  量子点在有无纳米天线时的辐射功率示意图

      Figure 2.  Schematic diagram of the radiant powers of quantum dots with/without nano-antennas

      发射过程中的荧光定向收集效率增强(相比裸量子点)的仿真计算公式为:

      (4)

      其中,Prad0表示裸量子点的远场辐射总功率,Ps表示量子点荧光经过天线后辐射到收集面上的远场辐射功率,该收集面位于x轴负半轴上,对应的荧光收集角是90°。Ps0表示裸量子点的荧光直接辐射到收集面上的远场辐射功率,该收集面位于x轴负半轴上,相应的荧光收集角也是90°。所以代表存在天线结构时的定向收集效率,代表只有裸量子点时的定向收集效率。

      激发过程中的荧光激发率增强为:

      (5)

      其中,|Eloc|是存在纳米天线时量子点所在位置处的电场强度,|E0|是只在PMMA背景中,没有纳米天线存在时量子点位置处的电场强度。这里量子点是采用平面波进行激发的。

      所以在90°的荧光收集角内,总的荧光定向增强为:

      (6)
    • 本文采用FDTD方法对3种纳米天线进行三维数值模拟, 可以在xyxzyz 3个平面上研究荧光的发射情况。若采用xz平面上的二维仿真,则可以认为电介质复合天线结构是由一个无限长TiO2纳米圆柱和两个无限长硅纳米圆柱组成的,这时得到xz一个平面上的荧光发射情况,而这与三维模拟中xz面上的荧光发射情况近似相同。

      在研究量子点的荧光发射过程时,硅纳米球和TiO2微球的材料参数都从Palik手册[27]中获取。设置背景折射率为1.5以模拟PMMA。使用电偶极子光源来模拟CdSe量子点,它位于坐标原点, 波长范围设置为508~538 nm。由于振荡方向沿两硅纳米球中心连线的偶极子光源的辐射最强,设置偶极子光源的振荡方向为沿z方向[10, 24]。参考图 2,本文采用由6个面功率监视器围成的立方体形功率监视器分析组计算发光功率。首先设置一个比较大的功率监视器分析组,使其将整个纳米天线以及量子点包围起来,计算PradPs,它的分布范围为(xyz)=(-1:1,-1:1,-1:1)μm。使用一个较小的功率监视器分析组只将结构内部的偶极子光源包围起来,计算Ptotal。然后,将纳米天线去掉,在仅有裸光源存在时,使用同样的两个功率监视器分析组对P0Prad0以及Ps0进行计算。设置一个由6个面功率监视器围成的立方体形远场散射分析组来计算远场辐射分布|E|2,它的分布区域是(xyz)=(-1:1,-1:1,-1:1)μm。设置一个过坐标原点且分布在xz面上的面电场监视器来研究量子点发光的电场分布|E|,它的分布区域是(x, z)=(-2:0.5, -0.6:0.6)μm。最后使用一个三维模拟区域将光源、结构和监视器包围起来进行仿真计算,在仿真过程中适当设置对称边界条件或反对称边界条件来减少仿真时间。

      在研究量子点的激发过程时,结构参数设置和发射过程一样。它的波长设置为441.6 nm,分布区域设置为(xyz)=(-0.75:0.15,-0.4:0.4,-0.4:0.4)μm。设置平面波的照射方式为沿x轴正方向。由于沿两硅纳米球中心连线方向偏振的平面波能在硅纳米二聚体间隙中激发产生更强的局域电场,因此将平面波偏振方向设为z方向[28]。设置一个正方体形电场监视器来计算量子点处的激发电场强度|Eloc|和|E0|,由于量子点的直径一般小于10 nm,设置该电场监视器的分布区域是(xyz)=(-5:5,-5:5,-5:5)nm。最后,采用公式∫|Eloc|2dv/∫E02dv[15]求出量子点的激发率增强。同样设置一个过坐标原点且分布在xz面上的面电场监视器来计算平面波照射后的电场分布E,它的分布区域是(x, z)=(-0.05:0.05, -0.1:0.1)μm。最后,同样设置三维模拟区域将光源、结构和监视器包围起来进行仿真计算,并且适当采用对称与反对称边界条件来节约仿真时间。

    • 首先,研究了硅纳米球二聚体天线、TiO2微球天线以及电介质球复合纳米天线对量子点荧光量子产率的增强。根据公式(1)、(2)和(3),得到了3种天线对应的量子产率增强曲线。

      图 3(彩图见期刊电子版)展示了3种纳米天线对应的量子产率增强曲线。从图中可以看出,单个的TiO2微球不能使量子点的量子产率得到很好的增强,而硅纳米球二聚体可以使量子产率获得较大的增强。原因是硅纳米球二聚体可以在荧光的激发下产生米氏共振,这种耦合共振可以较大地提高量子产率。而TiO2微球在荧光照射下仅发生普通的米氏散射,仅有某些波长的荧光可以在TiO2微球中激发出回音壁模式(图中圆形红线最右端η大于1的部分),故只能实现量子产率的微弱增加[24]。硅纳米球二聚体与单个TiO2微球组成的三聚体复合纳米天线可以有效增强量子产率,其增强倍数约为4倍,略低于硅纳米球二聚体的增强倍数,原因是复合体中TiO2微球对荧光存在淬灭作用(η小于1)。图 3中的插图展示的是523 nm波长对应的发光电场分布。图中的虚线是TiO2微球的轮廓。由图中的发光电场分布强弱对比得出的结论与量子产率增强曲线相一致。

      图  3  3中纳米天线对量子点量子产率的增强效应和发光电场分布

      Figure 3.  Quantum yield enhancements and luminous electric field distributions of three nano-antennas on quantum dots

    • 根据公式(4)可得出3种天线结构对应的荧光定向收集效率增强情况。

      图 4展示了3种纳米天线对量子点荧光定向收集效率的增强情况以及辐射分布。从图 4左图中的收集效率增强曲线可以看出,在90°收集角范围内,硅纳米球二聚体天线不能使量子点的荧光定向收集效率得到提升,而单个的TiO2微球可以产生较好的荧光定向收集效率增强。借助于TiO2微球良好的定向效果,本文提出的复合纳米天线也可以产生较好的定向收集效率增强,且较硅纳米球二聚体天线增强了约2倍。从图 4的中图和右图可以得到收集效率增强程度不同的原因。图 4的中图展示了复合纳米天线和硅二聚体天线作用下的辐射分布(x, z平面)。图 4的右图展示了量子点在硅二聚体、TiO2微球作用下以及裸量子点的辐射分布,该图是中图的局部放大图。从图中可以看出,虽然量子点-硅纳米球二聚体发出的光能量要比裸量子点的辐射能量大的多,但两者的光能量都被沿着x轴正负方向平均分配(在x轴负方向收集),所以硅纳米球二聚体的荧光收集效率几乎没有增强。而量子点-TiO2微球和量子点-复合纳米天线发出的光能量尽管大小不同,但大部分都被分配到x轴负方向上(收集方向)。所以TiO2微球和复合纳米天线都能使量子点的荧光收集效率得到提高。

      图  4  量子点在三种纳米天线作用下的收集效率增强和辐射分布

      Figure 4.  Collection efficiency enhancements and radiation distributions of quantum dots with three nano-antennas

      在实际的荧光收集过程中,物镜(收集透镜)的数值孔径可由公式NA=nsinθ得出。这里,n是背景折射率,取为1,θ为荧光收集角的一半,为45°。因此,为了在90°内收集荧光,应使用数值孔径约为0.7的物镜。

    • 根据公式(5)可得到,硅纳米球二聚体对荧光激发率的增强倍数是17.24,TiO2微球对荧光激发率的增强倍数是31.06,复合纳米天线对荧光激发率的增强倍数是461.45。其中,TiO2微球对激发率增强倍数较高的原因是:激发光通过TiO2微球后可以产生纳米喷射现象[29],在纳米喷射产生的局域光斑中,电场强度会得到增强,这种增强的电场有助于荧光激发率的提高。硅纳米球二聚体增强激发率的原因是:当激发光照射到硅纳米球二聚体上时,可以产生米氏共振现象,米氏共振中的电偶极共振会使两硅球间隔中的局域电场得到增强,同样有助于荧光激发率的提高。特别地,对于电介质球复合纳米天线,当把硅纳米球二聚体放置在TiO2微球产生的纳米喷射光斑中时,叠加效应会导致二聚体间隔中产生更大的局域电场增强,从而产生更大的荧光激发率增强。根据式(5)知,荧光激发率增强的效果为电场强度增强效果的平方,所以这种叠加方式产生的电场增强会显著地提高荧光激发率,其在荧光定向增强的3个要素中起重要作用。

      图 5展示的是平面波入射后有无天线结构时量子点所在位置周围的电场分布。图 5(a)展示的是没有天线结构时的电场分布;图 5(b)展示的是在硅纳米球二聚体存在时的电场分布;图 5(c)展示的是仅有TiO2微球存在时的电场分布;图 5(d)展示的是在复合纳米天线存在时的电场分布。图中的圆形虚线指的是硅纳米球的轮廓,弧形虚线指的是TiO2微球最右端的轮廓。从图中可以看出,对于量子点所在位置处, 硅纳米球二聚体与TiO2微球产生的电场强度增强并不大。但是两者组合成复合体后,量子点所在位置处的电场增强要比两个独立结构产生的电场增强大的多。这与公式计算的荧光激发率增强结果相一致。

      图  5  平面波入射后量子点所在位置周围的电场分布

      Figure 5.  Electric field distributions around the quantum dots with the irradiation by plane wave

    • 最后,将荧光定向增强的3个要素结合起来,研究了3种结构对量子点总的荧光定向增强效果。根据公式(6)得到了量子点总的荧光定向增强曲线。

      图 6展示了3种天线对量子点总的荧光定向增强曲线。从图中可以看出,和单独的硅纳米球二聚体以及单个的TiO2微球相比,本文提出的电介质球复合纳米天线可以产生较高的荧光定向增强倍数。在中心波长523nm处,硅纳米球二聚体对量子点的荧光定向增强倍数约为83,TiO2微球产生的荧光定向增强倍数约为45,而电介质球复合纳米天线产生的定向增强倍数约为3 064。这种高增强倍数产生的原因是本文提出的复合纳米天线既具备了硅纳米球二聚体对量子产率增强较大的优势,也具备了TiO2微球对收集效率增强较大的优势,同时也由于硅纳米球二聚体和TiO2微球结合可使量子点所在位置处激发电场的叠加性增强。

      图  6  3种纳米天线对量子点总的荧光定向增强

      Figure 6.  Total fluorescence directional enhancements of quantum dots with three nano-antennas

    • 本文提出了一种由硅纳米球二聚体与TiO2微球复合而成的电介质纳米天线。通过时域有限差分法得出,该电介质球复合纳米天线可以对量子点产生较好的荧光定向增强效果。该复合纳米天线不仅可以解决单个TiO2微球增强荧光时量子产率较低的问题,还可以弥补单个硅纳米球二聚体增强荧光时荧光收集效率较差的不足。由于兼具硅纳米球二聚体对量子产率增强比较大的优势及TiO2微球对荧光远场定向收集效率增强比较大的优势,该复合纳米天线可以使量子点的量子产率增强约4倍、荧光收集效率增强约2倍(90°收集角)。而且由于硅纳米球二聚体与TiO2微球对荧光激发过程的叠加性增强,整个复合纳米天线可以对CdSe量子点产生比较高的荧光定向增强倍数。特别的,在中心波长(523 nm)处,荧光定向增强约3 064倍。该电介质球复合纳米天线对荧光增强的原理如下:在荧光发射过程中,量子点首先与硅纳米球二聚体发生米氏共振,产生辐射增强,增强后的荧光又遇到TiO2微球,发生米氏散射,散射的荧光干涉以后即出现定向汇聚现象。在激发过程中,激发光首先遇到TiO2微球发生纳米喷射,然后处于纳米喷射光斑中的硅二聚体又会发生米氏共振,最后在硅纳米球二聚体间隙中产生较强的局域电场,最终使得荧光激发率大幅度提高。此外,基于这类复合纳米天线,通过优化结构参数,可以达到最佳的荧光定向增强效果。本工作提出的结构对高性能发光器件或传感器件的开发有一定的指导意义。

参考文献 (29)

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