【摘 要】
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表面等离激元由于其很强的局域场增强的特性在表面增强红外吸收光谱（SEIRA）方面有着重要的应用。然而,由于贵金属在中红外波段急剧增长的介电常数,导致表面等离激元的品质急剧下降,半峰宽通常都很宽。而石英晶体在特定的红外波段其介电常数接近于零,可作为一种近零介电常数材料。当贵金属等离激元天线位于介电常数材料衬底上时,等离激元天线的响应,特别是等离激元场的局域性以及品质因子,会有很大增强。因此,本论文的
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表面等离激元由于其很强的局域场增强的特性在表面增强红外吸收光谱（SEIRA）方面有着重要的应用。然而,由于贵金属在中红外波段急剧增长的介电常数,导致表面等离激元的品质急剧下降,半峰宽通常都很宽。而石英晶体在特定的红外波段其介电常数接近于零,可作为一种近零介电常数材料。当贵金属等离激元天线位于介电常数材料衬底上时,等离激元天线的响应,特别是等离激元场的局域性以及品质因子,会有很大增强。因此,本论文的目的是用石英晶体这种天然近零介电常数材料作为衬底,设计合适的贵金属天线,激发近零介电常数等离激元模式,并研究其在SEIRA中的应用。本论文分别设计研究了棒状天线阵列和U型天线阵列的近零介电常数等离激元模式,并用PMMA分子验证了近零介电常数等离激元模式在SEIRA中的应用。本论文的主要研究成果如下:（1）我们在石英晶体衬底上制备了棒状金天线阵列,激发出了近零介电常数等离激元模式并观测到了模式的“钉扎效应”,论证了天线短轴方向的周期对“钉扎”效应的影响。同时,我们发现调控天线的尺寸可以很好调控这种近零介电常数等离激元模式,并实验证明了近零介电常数等离激元棒状天线阵列在SEIRA上良好的应用。（2）我们在石英晶体衬底上设计了金U型天线阵列,论证了尺寸对近零介电常数等离激元模式的良好调控。在SEIRA实验中,我们测得了近零介电常数等离激元模式和PMMA分子振动之间的耦合所引起的模式劈裂和反交叉现象。通过耦合谐振子模型的计算,我们证明近零介电常数等离激元模式和PMMA分子振动之间的耦合是强耦合。此外,我们证明了耦合强度与PMMA分子层厚度的平方根成正比关系,以及耦合强度对入射光偏振角度的敏感性。本论文验证了基于近零介电常数材料为衬底的棒状天线阵列和U型天线阵列在SEIRA上的良好应用,尤其用U型天线阵列实现了表面等离激元在红外波段与分子振动的强耦合。这些结果可为超灵敏中红外光谱的研究提供新的思路。
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