太赫兹纳米探针近场探测机理理论仿真研究.pdf

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1、TheTheorySimulationResearchoftheTerahertzNear-FieldNanotipBy[JianHuang]ADissertationSubmittedtoUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofMasterofEngineering[Chongqinginstituteofgreenandintelligenttechnology,ChineseAcademyofSciences]

2、03,2016摘要摘要随着太赫兹源与检测手段的发展，太赫兹光谱技术已经在半导体器件检测、生物体无标记分析、复合材料无损检测、分子影像等方面取得了显著进展。太赫兹波长在30m-3mm，由于衍射极限限制，高空间分辨率的太赫兹光谱成像还存在巨大挑战。基于针尖增强的近场光学显微镜已经在可见光、红外频段逐渐得到应用，其成像分辨率已经可以达到纳米级。与可见光、红外和拉曼光谱类似，太赫兹光谱是否也可以通过近场纳米探针的局域增强效应实现超衍射极限高分辨率成像？其成像机制与传统的可见光、红外和拉曼光谱近场成像有何区别？针对以上问题，本文应用二维时域有限差分方法在

3、太赫兹波照射下仿真模拟了金纳米探针和银基底间的相互作用，并用准静态电荷模型进行了理论的分析。仿真和理论分析结果表明随着纳米探针-基底间距的增加，基底上的最大电场强度减小。随着纳米探针的半径的增加，基底上太赫兹光斑直径也随之线性增加，电场强度也有轻微增加。这些结论与传统红外和拉曼针尖增强近场光学显微镜(TENOM)的物理原理相一致，证明了针尖增强近场光学显微技术同样适用于太赫兹波段。同时研究模拟了太赫兹近场显微镜的局域场增强效应，并细致分析了影响局域场增强的各种因素。模拟结果表明了纳米探针的尺寸、针尖-基底间距、基底的介电特性和待测样品等都会对太赫

4、兹近场纳米探针的电场增强和空间分辨率有影响，特别与可见光、红外波段不同，由于等离子体材料的共振频率在太赫兹波段，所以当模型应用这些材料时，可以得到更强的局域场增强信号。这些结论可以通过纳米探针-样品/基底系统的有效极化率来解释说明。打破光学衍射极限的制约，获得纳米级检测分辨率已经成为了太赫兹近场光谱技术必然的发展趋势。纳米探针作为其研究核心发挥着巨大作用，对于纳米探针形状、材料、结构等因素的选择和对其近场增强机理的研究将成为太赫兹近场高灵敏度、高分辨率成像的关键。关键词：太赫兹；纳米探针；时域有限差分法；近场增强效应；有效极化率IABSTRACT

5、AbstractWiththedevelopmentofterahertzsourceandthedetectionmeans,terahertzspectrscopytechnologyhasmadesignificantprogressesinthesemiconductordevicetesting,biologicalmarkeranalysis,compositematerialsnondestructivetestingandmolecularimaging,etc.Terahertzwavelengthisin30m-3mmran

6、ge,duetotherestrictionofthediffractionlimit,highspatialresolutionterahertzspectroscopyimagingisahugechallenge.Thenear-fieldopticalmicroscopebasedontheapexenhancedhasbeenappliedgraduallyinthevisibleandinfraredfrequencybands,anditsimagingresolutioncanreachtonanoscale.Similartov

7、isiblelight,infraredandRamanspectroscopies,whethercantheterahertzspectroscopyalsoaccomplishedthehighresolutionimagingtobreakthroughthediffractionlimitbylocalenhancementeffectsofthenear-fieldnanotip?Whatisthedifferencebetweentheimagingmechanismintheterahertzbandandthetradition

8、alvisiblelightandinfraredbands?Tocuretheaboveproblems,inthispaper,th