基于石墨烯纳米腔结构的超分辨光场调控技术与应用研究

	基于石墨烯纳米腔结构的超分辨光场调控技术与应用研究
	杨靖忠
	2016-10-01
发表期刊	中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
期号	6
摘要	在过去的几十年里,光学成像所取得的巨大进展已经对生物学活细胞的研究产生了及其深刻的影响。众多提高光学超分辨成像的技术涌现和发展,这其中包括,受激发射损耗显微技术(STED),近场扫描光学显微技术,以及结构光照明显微技术(SIM)等等。针对结构光照明显微术能够实现宽场下高分辨的优点,因此在众多显微技术中,其应用发展受到越来越多研究的关注。然而,结构光照明显微技术的空间分辨率理论上只能达到100nm。最近提出的等离子结构光照明显微技术(PSIM)利用表面等离子体更高的波矢特性从而更好地提高了分辨率。一般说来,贵金属常用于激发表面等离子体,但是贵金属激发的等离子体主要问题在于其损耗很高导致其耦合表面等离子体的效率极低,同时传播距离较短。石墨烯,作为一种二维材料由碳原子以六角蜂窝的形式排列,其单层厚度仅有0.34nm,近几年引发了大量的关注。近年研究发现入射光能与石墨烯表面的电子发生强烈的耦合,尤其在中红外到太赫兹波段的入射条件下,可以激发TM偏振的石墨烯表面等离子体。相比在贵金属表面激发的传统等离子体,其具有极强局域光场特性,同时具有相对低的损耗。另外由于石墨烯电导率的可调控,因此石墨烯等离子体在中红外到太赫兹波段可以通过调控施加电压以及掺杂来实现等离子体调控以此制作实际器件。也因此,使得石墨烯等离子体结合等离子体结构光照明显微技术后能够更好地提高光学成像分辨率。在研究工作中,我们首先通过结合石墨烯纳米腔与超表面的方法提出了一个基于超表面为结构基础构建的石墨烯纳米腔结构,将其用于等离子结构光照明超分辨技术。然后,对结构模型的色散关系进行讨论,再根据基于时域有限差分方法的软件FDTD Solutions对结构进行仿真得到纳米腔中的等离子体干涉光场。结果发现在7μm的入射光波长下石墨烯表面激发等离子体干涉条纹周期为52nm,空间场局域性增强了大约134倍,这一点是常规金属激发表面等离子体激元达不到。在此之后,为了对我们提出的纳米腔结构有更好的验证与理解,采用仿真与理论计算相互验证的方法,分别计算了结构中相关参数对于结构的影响与调控,如超表面结构层中介质的材料,周期,占空比以及超表面层厚度,除此之外,还对纳米腔的高度,纳米腔上下石墨烯层的化学势进行了一系列的调控验证,充分掌握石墨烯纳米腔结构激发等离子体激元的特点。针对实现石墨烯表面等离子体光场应用于超分辨率成像照明的研究目的,研究从仿真角度探究了其用于等离子体结构光照明显微技术后发现光学成像分辨可以达到26nm,并通过理论公式的计算得出分辨极限约为25nm,结果与仿真十分契合,证明力相比传统的光学成像分辨率提高将近100倍左右,因此研究的该结构用于生物研究超分辨率成像方面将有着十分重要的前沿意义。
关键词	光学超分辨率成像等离子体结构光照明技术石墨烯等离子体石墨烯纳米腔 Fdtd Solutions
语种	中文
文献类型	期刊论文
条目标识符	http://ir.ciomp.ac.cn/handle/181722/57704
专题	中科院长春光机所知识产出
推荐引用方式 GB/T 7714	杨靖忠. 基于石墨烯纳米腔结构的超分辨光场调控技术与应用研究[J]. 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,2016(6).
APA	杨靖忠.(2016).基于石墨烯纳米腔结构的超分辨光场调控技术与应用研究.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所(6).
MLA	杨靖忠."基于石墨烯纳米腔结构的超分辨光场调控技术与应用研究".中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 .6(2016).