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关注纳米光学天线---向国家纳米研究中心建言
dsm9393 2015-9-1 22:17
关注 纳米光学天线 --- 向国家纳米研究中心建言 都世民 为什么关注 纳米光学天线 ？ 1. 笔者发现有多则科技报道与纳米光学天线有关。 2. 信息科学编委会编写的，科学出版社出版“ 10000 个科学难题·信息科学卷”， 2011 年 9 月。书中有一文“纳米光学天线”，撰稿人：宋 勇 王涌天，北京理工大学光电学院。 3. 笔者在探索小宇宙中，发现小宇宙内不存在实时测量或成像，现有的血液成份、基因、病毒等都无法实时测量。 4. 人造器官及体内送入的药物都缺少持久能源，尽管有无线传输、中场传输供电的报道，在人体内无法实现，因为缺少体内天线。 5. 中医理论的验证，激光针灸，穴位测量也受天线的制约。 6. 能源问题是全球关注的大问题，太阳能电池板的高效问题与纳米天线紧密相关。不用燃料的航天推动也寄希望于高效太阳能供电，成为不带燃料的“永动机”。 7. 地球上无处没有电磁波，随着手机、平板电脑、可穿戴电子设备的增加，电磁波对人体的影响会愈加受到关注。而微波武器的投入使用，人体防护会受关注。搞清电磁波对人体的影响离不开体内天线。 8. 在生物医学领域中 , 活体检测、 癌症的快速诊断和治疗 等方面有着广泛的应用前景。 9. 检测毒品和爆炸物的安全应用的新型纳米天线 .. 纳米天线可以识别这些化学成分，从而确定毒品和爆炸物的特定类型。 10. 纳米 金属光学天线用于增强受激拉曼散射、纳米光刻以及改变分子的自发辐射特性等。 总之，纳米光学天线的研究及其应用前景，非常值得关注。 主要关注点 1. 纳米光学天线的机理及其特性参数的表征方法； 2. 纳米光学天线 超常特性 1). 频谱调控； 2). 实现高增益单波束定向辐射； 3). 调控光的耦合和辐射方向； 4). 增强自发光辐射 ； 5). Fano 共振 开关效应 ； 6). 用 不规则碎片形 状来减 小纳米天线尺寸 ； 7). 改变光的相位，创造出负折射现象 . 控制光的偏振 。 8). 调控 光的速度 ； 3. 纳米 光学天线的形状及微纳结构与其光学特性的关系 1) 单极 纳米天线 ：在 SNOM 针尖上，制备单极光学天线，探测单分子荧光，得到了～ 25nm 的光学分辨率。另外，针灸用的银针尖，当人手操作时，有无纳米光学天线的属性，值得研究。 2) 蝴蝶结形光学天线； 3) 金偶极天线阵列；铝制单偶极天线； 4) 三角形天线， 5) 对称振子天线；金偶极天线； 6) 太阳能面板的纳米光学天线； 7) 八木天线 8) 金字塔天线 9) 纳米光学天线阵列 以上天线形式已有报道，除此而外还会有其它天线型式获得更好性能。 4. 纳米 光学天线的 材料 与其光学特性的关系 1) 金属纳米结构 ( 金、银、铜、铝等 ) 制作纳米天线 ； 2) 使用 绝缘材料组成的立方体形状 制作纳米天线 ； 3) 使用 由导体和半导体材料组成的球形 制作纳米天线 ； 4) 使用 微型半导体量子级联 (QC) 激光器 , 在其上安装 纳米 天线 ，实现了纳米级的精度对激光点聚焦； 5) 使用 石墨烯制作纳米天线 ； 6) 使 用具有内凹型结构的金属钯纳米材料 制作纳米天线 ； 7) 使 用 可降解的环保材料 制作纳米天线 ; 8) 使 用稀土掺杂上转换纳米发光材料 制作纳米天线 等。 5. 对现有材料中的光子进行操控时，纳米光学天线的相关问题的研究 6. 纳米 光学天线的测量设备的研制 7. 应用前景的开发 综上所述， 纳米 光学天线的研究应当加强，这一研究方向是国际科学前沿，它涉及多学科的交叉融合。希望贵中心统筹考虑。
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纳米光学天线的应用前景
dsm9393 2015-3-17 20:57
纳米光学 天线的应用前景 都世民 等离子元光子学是纳米光子学的重要组成部分，是近年来研究十分 活跃的一门新兴光学分支，有着广阔的应用前景。如何在纳米尺度上利用等离 子 元的有效调控，实现电光转换以及光学信息的产生、放大和检测，是富有挑战性的科学技术问题。 纳米光学天线的应用研究主要集中在以下诸多领域： A 开发新一代 数据存取设备 ； B. 食品安全评估 ； C. 大气污染物鉴定 ； D. 活体检测； 如活体成像、细胞跟踪、生物检测以及光热治疗等。 E. 癌症的快速诊断和治疗 ； 如对 癌胚抗原（CEA）的超灵敏检测 . F. 集成光学 生物传感器 ； G. 增强 自发光辐射 特性； 如 用由金制成的外部天线，使铟镓砷磷 (InGaAsP) 制成的纳米棒的自发光辐射增 强了 115 倍。 H. 显微成像 ； 高聚光性的纳米光学天线突破了激光超衍射极限，用在显微成像上 . 在 I. 纳米光电集成 ； 将光学天线引入到光刻技术，成本低，又不受衍射极限的限制，还可以采用长波长的可见光来照明标准的光敏层，制作出亚波长尺寸的结构。 J. 光源制作 ； 纳米天线让可见光任意转弯 , 有望设计成高效量子单光子源。 K. 短距离 光 通信 ； L. 检测毒品和爆炸物 ； 因 纳米天线可以识别这些化学成分，从而确定毒品和爆炸物的特定类型。 M. 用于激光雷达 ； 如 提 高 激光雷达的性能等 。 N. 太阳能 光电转换 ； 能捕获超过 90% 的红外光和可见光能量 ， 是一种电磁能收集器 。 O. 提供热源 ； 用具有内凹型结构的金属钯纳米材料，通过降低结构对称性和增大颗粒尺寸，使其能够在可见光宽谱范围内吸光，吸光后的光热效应足以为有机加氢反应提供热源。纳米结构的尖端棱角处具有超强的聚光能力从而产生局部高温 ， 提供热源 。 P. 增加 LED 的效率 ； 用金子塔形的纳米天线可能 增加 LED 的效率 。 R. 高分辨率 全息摄影术 以色列科学家 一种小型金属纳米天线芯片 ， 以及一种相适应的全息算法，可以检测一束光波的“相图”。 发明一种全新的全息摄影术 ，允许新设计的全息图复制图案的深度，不再需要图像重制。成功形成了高分辨率全息图，可以从任何方向投影。这项技术还可以应用于科学研究、安全、医学、工程等领域以及实现娱乐目的。 如上所述，纳米光学天线的应用范围与先前的射频天线、微波天线和毫米波天线的应用范围有不同之处。自麦克斯韦提出电磁理论至今，电磁波无处不在，找一个电磁波静区是很困难的事情。如今纳米技术的出现，纳米光学天线的诞生和型式的多样化，它预示了应用前景十分广阔，值得倍加关注！
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纳米天线的超常特性
热度 1 dsm9393 2015-3-16 17:23
纳米天线 的 超常特性 都世民 最近笔者发现有多则科技报道与纳米光学天线有关。为此从百度文库、道客巴巴文库、光明网、科学网、腾讯网、国家纳米研究中心网、中科院纳米研究中心网等，查询纳米光学天线有关资料，分析整理后，对有关问题进行一些讨论。 近日，武汉大学电子信息学院，用一种新穎的反射式金納米天线阵列，成功应用於激光全息領域。这是一種在襯底表面加工出超薄金属微納結构材料，与光波相互作用，呈現出一些超常特性。武汉大学郑国兴与伯明翰大学教授張霜开展合作，在 实验 中不仅捕捉到令人滿意的爱因斯坦激光全息图像，而且 实 現了高达 80% 的 实 測衍射效率。這一成果超越了传統材料的激光全息水平，而且工艺流程大大简化——仅需一步光刻工艺。 另据报道， 苏格兰大学物理学联盟高校的科学家 ， 在实验室内成功降低 了 光的速度，即便光子回到自由的空间中，仍然以较低的速度运行。在自由空间中光速接近每秒 30 万公里，当光通过诸如 冰 体、玻璃等材料时 ， 光速会出现降低，但只要它再次返回自由空间中，其速度就会回归正常。 美国伊利诺斯大学厄本那—香槟分校一个研究小组基曼尼·图森特 , 用已制作好的纳米阵列结构，在电子扫描显微镜下 ， 调整阵列，实现对等离子光学性质进一步重组。因此人们能在制作好之后，决定所需的纳米结构 ， 实现 对 光 波的控制 。 这种 纳米天线阵列为柱 - 领结纳米天线（ p-BNA ）阵列模板，每根直径约 250 纳米，用金制作成领结状柱块，“领结”下垫有 500 纳米高的玻璃柱。用扫描电子显微镜（ SEM ）发出的电子束，可以让单根或多根 p-BNA 子阵列 ， 以 60 纳米 / 秒的速度变形。在电子束的激发下，等离子推动纳米天线阵列 ，使其 出现明显变形，这在金粒子之间 形 成纳牛（ 10 的负 9 次方牛） 量 级的受力差异。 2015-03-05 ， 中国科学技术大学设计了一类尺寸为 50 纳米 ， 且具有内凹型结构的金属钯纳米材料，通过降低结构对称性和增大颗粒尺寸，使其能够在可见光宽谱范围内吸光，吸光后的光热效应足以为有机加氢反应提供热源。纳米结构的尖端棱角处具有超强的聚光能力从而产生局部高温 。 国内外科技专家上述研究进展，这些成果很受关注。无论是军用或民用上，这些成果的转化都可能产生颠覆性影响。其应用前景十分广阔。当然这些领域的研究是相互交叉的，有一个较长时期的融合过程。将会在哪些方面出现巨大变化，还需试目以待。这是笔者关注的原因之一。另外，笔者从事天线技术五十年，专业上爱好和兴趣也是一个原因。 纳米光学天线 的基本关注点 1. 纳米光学天线 最小尺寸 纳米光学天线与传统天线比较，首先在维度上是最小尺寸。 1985 年， wessel 教授基于金属小颗粒能有类似于传统天线接收入射电磁波的 属 性，最早提出光学天线的概念。随后， Pohl 教授对这种类似性进行系统的讨论，通过比较近场光学探针与传统天线的相似性，得出传统天线理论可以应用于近场光学。由于光学偶极子天线谐振长度远远小于入射光半波长，这与传统天线理论相悖， Novotny 教授 用 有效波长的概念解决了该问题。 2010 年 03 月 17 日新华网报道： 日本广岛大学的研究小组日前开发出纳米级超小型天线 . 天线宽 75 至 125 纳米、长 500 纳米，相当于把普通电视天线缩小到百万分之一。构成天线的 5 根“枝杈”是用金制作的，固定在透明的氧化硅板中。这种天线能够收发波长 为 400 至 800 纳米的电磁波。 纳米光学天线是自赫兹发明天线以来，所有天线中最小天线，它的工作频段进入光频段，即 THz 。然而纳米天线进入光频段，出现一些超常特性。 2. 纳米光学 天线 的 超常特性 天线是接收和辐射电磁能的工具，具有非常广泛的应用，在光学波段可以利用光学天线在纳米尺度对光波进行调控。 基于表面等离子体共振的纳米光学天线的一个独特性质是约束场。 一个很小金属颗粒受光激后 ， 经常被看作一个偶极子 天线 ， 纳米粒子可以通过外场的激发 ， 而成为光源 , 并拥有其独特的光学性能 。 纳米天线对特定波长的辐射，具有强吸收和强散射的特性，该特性与粒子的大小、形状、介质环境等因素紧密相关。 当表面等离子体谐振时，纳米金属粒子的极化作用明显增强，诱发的偶极子也极大地增强，这也导致电磁场大大增强。这种性能常常被用来增强某些光学过程的弱辐射截面 , 如拉曼散射、荧光现象或者提高非线性光学响应。这种性能与微波线天线受外场激励后，在谐振状态，产生的感应电流在平行极化时，会使天线辐射场明显增强，这两者有相类似的现象。 A. 频谱调控： 据科学时报 2010 年 1 月 27 日报道：中国科学技术大学科研人员发现：无线电通信天线尖端尺寸减少到纳米量级，并非常接近另一金属表面而形成一个纳米腔室时，就可以调控局域等离激元谐振模式，来对腔内荧光体的发光特性进行有效控制，在光频区实现新奇的电光效应：电致热荧光、上转换发光和“彩色”频谱调控。这些发现及其隐含的物理机制，揭示了局域的纳腔等离激元场，可以作为一种近场相干光源，在光电耦合与转化过程中，起着至关重要的调控与放大作用，为纳米光电集成提供了新的思路。 B. 实现高增益单波束辐射： 单向纳米天线可以为任何无 方向性 的光发射器（如微激光器、纳激光器或等离子激光器（ Spasers ），甚至量子点）引入方向性 。 立方体天线通过精确控制光束宽度与方向，实现光会聚 。特殊结构的纳米天线能够改变与其相耦合的点光源的方向性，甚至可实现高增益单波束辐射 。调天线单元 间距 可 实现对光束 指向 的微调。 C. 利用非对称光学缝隙纳米天线， 可以 调控光的耦合和辐射方向。 D. 圆偏振光的调控 : 利用 L 形光学缝隙纳米天线，通过调节天线尺寸来改变两个相互正交的线偏振的不同模式的相位，可以获得 90 度的相位差和近似相等的强度，从而 实现 圆偏振光。 E . 增强自发光辐射 ： 用由金制成的外 部天线， 来 增强铟镓砷磷 (InGaAsP) 制成的纳米棒的自发光辐射 ，可增加 115 倍。 F. 产生 开关效应 : 由北京大学物理学院、美国 Rice 大学、国家纳米科学中心、北京大学前沿交叉学院共同合作完成 的 “ 导电衬底金属九聚体纳米天线结构 Fano 共振 开关效应 ” . G. 改变 纳米天线尺寸 与波长的关系 : 使用 不规则碎片形 状，可改 变 纳米天线尺寸至非常小，或 增 大至人类头发的宽度 . H. 改善 天线的性能 : 使用 3D 打印 技术制成的半球 立体天线 , 其 性能比普通的单极天线高一个数量级，同时也能大大 减 小 纳米 天线尺寸，不足波长的十二分之一 . I. 创建负折射现象 来 控制光的偏振 : 2011 年 12 月 26 日 , 科技日报 报道： ( http://www.sina.com.cn ) 实验证明，纤细的等离子体纳米天线阵列能采用新奇的方式对光进行精确地操控，改变光的相位， 形成 负折射现象 . 通过改变光的相位，能显著改变光的传播方式 ， 同一种光波通过折射率不同的物质时，相位就会发生变化。创建负折射现象，也可以控制光的偏振。有别于经典的折射和反射定律 。 普渡大学的科研团队制造出了 这种 纳米天线阵列 ， 光波波介于 1 微米 ( 百万分之一米 ) 到 1.9 微米之间的近红外 光 附近 ， 大大改变了光波的相位和传播方向。 J. 控制和引导吸收光的能量 : 据美国物理学家组织网 2011 年 7 月 10 日报道，加拿大 科学 家从植物的光合作用装置——捕光天线中 获 取灵感，研制出了新 型 纳米捕光“天线”，它能控制和引导吸光能量。 这是 整合在 DNA （脱氧核糖核酸）和半导体研究 两 方面的先进成果，发明了 这 种方法，让某些类型的纳米粒子相互依附在一起，自我组装成最新的纳米天线复合物，并将这种由量子点自我组装而成的材料命名为“人造分子”。令人吃惊的是，这种天线能自我组装而成 ， 用筛选出来的特定 DNA 序列包裹不同类型的纳米粒子，将其整合在一起 。 随后按照自然规律，自我组装成拥有特定属性的类似于分子的纳米粒子复合物。 这种 新 型 纳米天线能增加吸收光的 能 量， 还可以 将 此 光 能 量释放到该复合物内特定的位置上。新复合物也能捕捉太阳光中所包含的各种波长的光。 这是一种新型能量产生器，这 对探索小宇宙内能量形成机制有很好的启发。 K. 调控 光的速度 : 苏格兰大学物理学联盟高校的科学家 ， 在实验室内成功降低光的速度，即便光子回到自由的空间中，仍然以较低的速度运行。 L. 重组光的性质 ： 纳米纹理表面就像一种预编程序，入射光与表面相互作用后，光的性质就会发生改变。用已制作好的纳米阵列结构，在电子扫描显微镜下对阵列进行调整，实现对等离子光学性质进一步重组。因此能在制作好之后 ， 而不是之前，决定所需的纳米结构来改变光的性质。 3. 纳米光学 天线形状与结构 纳米光学天线结构种类繁多，常见结构 : 分别是纳米棒、 蝴蝶结形 、纳米粒子对、八木 - 宇田天线、纳米粒子阵列。 对称振子纳米光学天线，由两片金属薄膜和馈电间隙构成。共振时天线长度约为入射光波长的一半。振子臂形状除了长方形外，也可以为梯形，蝴蝶结形、圆盘 形 、三角 形 等。 金属纳米颗粒的不同结构或组合决定了其等离子体共振峰 值 的位置，也就是结构决定其工作波长。不同结构的纳米天线具有不同的光学性能，这也提供了对基于纳米光学天线的光学元件的调控方法 。 . 新近科技报道表明，纳米光学天线还有下列形状： A. 澳大利亚 spacedaily 网站 2015 年 2 月 25 日报道 ： 澳大利亚科学家发明 200 纳米绝缘材料组成的立方体形状的 纳米 天线 . 性能优于先前的由导体和半导体材料组成的球形天线。 B. 纳米光学 L 形 缝隙天线 , 可以辐射出圆偏振光。 C. 不规则碎片形，也就是说它们由重复样板组成，复制最小属性的形状，以打造相似却更大的结构。使用这一不规则碎片形法 ， 意味着研究人员研发的纳米天线可缩小至非常小的尺寸，或扩大至人类头发的宽度 . D 3D 立体 半球 天线 美国伊利诺伊大学电子和计算机工程系以及材料科学和工程系的两位教授联手，造出了一种突破性的“ 3D 天线”。使用纳米级的“银墨水”，用类似打印机的原理，在一颗半球体表面上“打印”出了依附在弧形表面上的立体天线。这种 3D 立体天线的性能比普通的单极天线高一个数量级，同时尺寸也能大大缩小，不足波长的十二分之一 。 通过计算机设计多 种 天线形状，可以实现在各种基板，包括塑料薄膜、纸质、陶瓷等表面 ， 实现 “ 一键 ” 打印天线，该技术非常便捷，可以实现诸如办公室打印文档一样快速打印制造天线。 E. V 型结构纳米天线 ： 普渡大学的科研团队制造出了纳米天线阵列 , 这种纳米天线是蚀刻在一层硅上方的金做成的 V 型结构，它们是一种“超材料” ( 一般都是所谓的等离子体结构 ) ，宽 40 纳米。科学家们也已证明，他们能让光通过一个宽度仅为光波波长五十分之一的超薄“等离子体纳米天线层”。 F. 人造分子 式 纳米天线 ： 让某些类型的纳米粒子相互依附在一起，自我组装成最新的纳米天线复合物，将这种由量子点自我组装而成的材料命名为“人造分子”。 G. Bow-tie 金属天线，通过利用双光子荧光增强作用，得到了天线间隙处场增强大约在 1000 量级。 Bow-tie 天线间隙处的场高度增强，应用于双光子聚合，得到 30 nm 的分辨率。 H. 单极 纳米天线 ：在 SNOM 针尖上，制备单极光学天线，探测单分子荧光，得到了～ 25nm 的光学分辨率。 I. 金子塔形的纳米天线 ： 荷兰阿姆斯特丹 FOM 研究所和 飞利浦 研究所的研究人员 ， 设计了一种新型小金子塔形的纳米天线 , 而不是通常所采用的直柱形。这种形状能够增强光的电场与磁场之间的干涉，使 场 增强或 改变光束 的方向。 4. 纳米光学 天线的 材料 按材料的不同，光学天线可分为介质光学天线和金属光学天线。其中，介质光学天线可以作为近场光学探针对样本表面的隐逝场进行散射，实现局域场与传播场的相互转换。金属 ( 金、银、 铜、铝等 ) 光学天线，一般由金属纳米结构组成，利用金属纳米结构与光的作用，实现传播场与局域场的相互转换和电磁场局域增强。 A. 对称振子纳米光学天线，由两片金属薄膜和馈电间隙构成。两片 金属薄膜材料多为金、银， 也可用 碳纳米管 制成。 B. 3D 立体 半球 天线 . 使用 纳米级的“银墨水” ，用类似打印机的原理，在一颗半球体表面上“打印”出了依附在弧形表面上的立体天线。 C. 纳米捕光“天线” . 让某些类型的纳米粒子相互依附在一起，自我组装成最新的纳米天线复合物，这种由量子点自我组装而成的材料命名为“ 人造分子 ”。 D. 创建 负折射 现象，控制光的偏振。有别于经典的折射和反射定律 . 制造出了纳米天线阵列并大大改变了光波波长介于 1 微米 ( 百万分之一米 ) 到 1.9 微米之间的近红外线附近光波的相位和传播方向。 E. 使用由金制成的外 部天线， 并 使 用 铟镓砷磷 (InGaAsP) 制成纳米棒 光学天线 。 F. 用一种新穎的 反射式金納米 天线阵列，在襯底表面加工出超薄金属微納結构材料，与光波相互作用，呈現出一些超常特性。 G. 使用 绝缘材料 组成的立方体形状的 纳米 天线 。 H. 使用 由 导体和半导体材料 组成的 球形天线 。 I. 使用 微型半导体量子级联 (QC) 激光器 , 在 QC 激光器上安装 纳米 天线 ，实现了纳米级的精度对激光点聚焦，从而可以使 QC 激光器执行亚微米级的扫描。使分辨率提高到可见光波长的百分之一。 使 体积更小，有更好的信噪比。 J. 石墨烯 制作的纳米天线 : 佐治亚理工学院（ Georgia Institute of Technology ）的研究 人 员，通过计算机模拟，用 石墨烯 制作的纳米天线 , 可以用于纳米机器的网络中。除了能够在纳米机器之间通信外，石墨烯天线还能用于移动手机和网络连接的笔记本上，使它们得到更远的通信距离。石墨烯使用非常少的能源就能够运行。由于石墨烯的蜂窝结构，所以它的表面产生表面波的范围也最广。这种天线的特性是，在大小相同的情况下，辐射频率比普通材料天线的辐射频率还要低。 在 0.1 到 10 太赫兹之间波段 , 石墨烯纳米天线将无线网络中的数据速率提高超过两个数量级。 K . 稀土掺杂 上转换纳米发光材料具有高光化学稳定性、几乎无毒性、窄线宽、长荧光寿命、可调谐荧光发射波长等优势，是目前普遍看好且有望成为替代传统下转换荧光探针的新一代荧光生物标记材料。 L . 用 具有内凹型结构的 金属钯纳米材料 ， 制作的纳米天线 . 这种 独特设计的金属钯纳米材料，具有高催化活性和太阳能利用 价值 ，在光驱动有机加氢反应中 ， 展现出优异的催化性能 .
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