堆叠银纳米环/半纳米环谐振器中的高品质法诺共振

摘要

本文报道一种通过垂直堆叠完整银纳米环和半纳米环产生尖锐法诺共振的等离激元纳米结构。该设计在垂直入射光照下激发亚辐射模式，产生新的旋转模式和可调谱光谱响应。在近红外区实现高品质因数共振，展现出集成纳米传感器和光子电路的巨大潜力。

研究背景

表面等离激元极化子(SPPs)实现纳米尺度光-物质相互作用的前所未有控制，推动纳米制造、光学表征和全场计算电磁学发展。局域等离激元共振在金属纳米盘、三角形、纳米棒、纳米环等结构中得到广泛研究。法诺共振源于宽窄激发通道干涉，已在环-棒组装、等离激元寡聚体、非球形簇、石墨烯器件、量子点中演示。但因复杂模式杂化和依赖入射角的阻滞效应，在特定波长实现法诺共振仍具挑战，限制了高阶或空间扩展模式激活，制约高性能纳米等离激元器件。本研究引入堆叠纳米环/半纳米环体系，通过垂直入射高效耦合亚辐射模式，克服上述限制，提供鲁棒可调谱性和高品质因数。

方法

结构由银纳米环(内半径310 nm, 外半径400 nm, 厚度40 nm)堆叠同尺寸半纳米环组成。半纳米环相对y轴旋转角θ，形成手性螺旋构型。阵列周期1000 nm，基底折射率1。Lumerical FDTD模拟，空间网格1 nm，厚度方向半网格。y偏振平面波沿-z传播照射单元周期性边界条件。材料光学常数采用Johnson-Christy银数据。

结果与讨论

孤立纳米环透射谱显示三阶超辐射模式1027 nm(A)；半纳米环显示一阶偶极共振1297 nm(B)。纳米环法诺线形源于盘状偶极(D_D)与反点(D_H)杂化形成键合(D_B)和反键合(D_AB)态(图2b)。电场分布确认各模式不同电荷分布。堆叠后(图1)，耦合体系在1160 nm出现二阶法诺共振，三阶共振1027 nm基本不变(图3a-c)。基模强烈蓝移激活偶次共振。品质因数极高：二阶Q=82.8(FWHM=14 nm)，三阶Q=114(FWHM=9 nm)，超越文献报道同类体系Q=20-62。相干时间T_r=2ħ/Γ_L分别为0.10 ps和0.12 ps，远超常规法诺共振典型10 fs，证实堆叠设计鲁棒性。半纳米环微小旋转角θ引入旋转模式(m_r)进一步劈裂法诺共振。θ=5°出现三个不对称凹陷(图4a)。电荷分布图证实旋转模式源于半纳米环一阶模式与纳米环二阶模式杂化。随θ增大，旋转共振红移，二阶共振因y轴偶极重叠减弱而减弱。θ=30°时旋转模式显著，产生独特法诺轮廓(图5)。结果表明堆叠纳米环/半纳米环平台提供对多重法诺共振前所未有的控制，可通过简单旋转半纳米环开关特定模式。高Q因数和长相干时间使该结构极适合超紧凑高灵敏度传感和片上光子应用。

结论
本文引入完整纳米环与半纳米环垂直堆叠银纳米结构，在近红外支持多重高品质法诺共振。共振可通过半纳米环旋转角高度调谐，提供按需调制光谱特性的直接途径。达到Q因数114和相干时间~0.1 ps，凸显该架构用于纳米传感器和集成光子器件的适用性。

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