手性缝隙结构

技术领域

本发明涉及微纳光子学技术领域，具体而言，涉及一种手性缝隙结构。

背景技术

手性一词源于希腊语，表示结构的对称性，在多种学科中都有重要的意义。如果某物体与其镜像不同，则其被称为"手性的"，且其镜像是不能与原物体重合的，就如同左手和右手互为镜像而无法叠合。手性是生命过程的基本特征，构成生命体的有机分子绝大多数都是手性分子。

自然界中的手性分子手性信号普遍非常弱。近年来，研究者发现可以利用手性金属纳米结构产生的表面等离激元来实现手性信号的增强。螺旋结构由于其可以产生环形电流，使得在螺旋内部电场方向平行于磁场方向，从而可以产生很强的手性电磁场。但是，在实验上直接制备螺旋结构比较困难。平面手性纳米结构因为其制备简单被广泛研究。

但是，现有技术中常见的平面手性纳米结构如万字形，风车形等，其结构复杂，难以制备，并且其产生手性的方式单一，应用范围受限。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种手性缝隙结构，以解决现有技术中常见的平面手性纳米结构如万字形，风车形等，其结构复杂，难以制备，并且其产生手性的方式单一，应用范围受限的问题。

为实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本申请提供一种手性缝隙结构包括：基底和基底上周期设置的多个手性单元，每个手性单元包括第一矩形条、第二矩形条和直角三棱柱，第一矩形条、第二矩形条和直角三棱柱均垂直设置在基底的一侧，第一矩形条的长边和第二矩形条的长边固定连接，且第一矩形条和第二矩形条之间的夹角为直角，直角三棱柱的两个垂直的面分别与第一矩形条和第二矩形条垂直的面平行，直角三棱柱的两个垂直的面分别与第一矩形条和第二矩形条之间存在间隙，间隙中填充有膨胀材料。

可选地，该直角三棱柱的两个垂直的面分别与第一矩形条和第二矩形条之间的距离不同。

可选地，该第一矩形条、第二矩形条和直角三棱柱的材料均为贵金属材料。

可选地，该第一矩形条、第二矩形条和直角三棱柱的材料均为金、银和铜中至少一种。

可选地，该第一矩形条、第二矩形条和直角三棱柱的高度为320纳米-400纳米。

可选地，该膨胀材料为热膨胀材料。

可选地，该基底上设置的多个手性单元的周期为480纳米-520纳米。

可选地，该第一矩形条和第二矩形条靠近直角三棱柱的一侧均设置有多个凸起。

可选地，该手性缝隙结构还包括温度调节装置，温度调节装置设置在基底远离手性单元的一侧。

本发明的有益效果是：

本申请提供的手性缝隙结构包括：基底和基底上周期设置的多个手性单元，每个手性单元包括第一矩形条、第二矩形条和直角三棱柱，第一矩形条、第二矩形条和直角三棱柱均垂直设置在基底的一侧，第一矩形条的长边和第二矩形条的长边固定连接，且第一矩形条和第二矩形条之间的夹角为直角，直角三棱柱的两个垂直的面分别与第一矩形条和第二矩形条垂直的面平行，直角三棱柱的两个垂直的面分别与第一矩形条和第二矩形条之间存在间隙，间隙中填充有膨胀材料；由于该手性缝隙结构只包括基底和基底上周期设置的多个手性单元，每个手性单元包括第一矩形条、第二矩形条和直角三棱柱，则本申请的手性缝隙结构简单，且由于该结构通过在两个不同形状的结构之间构建不同大小的缝隙，从而使得在不同的缝隙处形成不同的电场聚集，为手性信号的产生提供了一种新思路。此外，可以在需要该手性缝隙结构的手性信号发生变化的时候，改变该手性缝隙结构中膨胀材料的体积，进而使得该手性缝隙结构的结构改变，进而完成该手性缝隙结构的手性信号大小和频率发生相应的变化，并且由于圆二色光谱对缝隙的变化分成敏感，则本申请的手性缝隙结构的也具有高灵敏度的特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明一实施例提供的一种性缝隙结构的结构示意图；

图2为本发明一实施例提供的一种性缝隙结构的手性单元的示意图；

图3为本发明一实施例提供的另一种性缝隙结构的手性单元的示意图；

图4为本发明一种手性缝隙结构的吸收和圆二色性光谱图；

图5为本发明一种手性缝隙结构的在共振波长580纳米处的电场分布图。

图标：11-第一矩形条；12-第二矩形条；2-直角三棱柱；3-基底。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

为了使本发明的实施过程更加清楚，下面将会结合附图进行详细说明。

图1为本发明一实施例提供的一种性缝隙结构的结构示意图；图2为本发明一实施例提供的一种性缝隙结构的手性单元的示意图，如图1和图2所示，本申请提供一种手性缝隙结构包括：基底3和基底3上周期设置的多个手性单元，每个手性单元包括第一矩形条11、第二矩形条12和直角三棱柱2，第一矩形条11、第二矩形条12和直角三棱柱2均垂直设置在基底3的一侧，第一矩形条11的长边和第二矩形条12的长边固定连接，且第一矩形条11和第二矩形条12之间的夹角为直角，直角三棱柱2的两个垂直的面分别与第一矩形条11和第二矩形条12垂直的面平行，直角三棱柱2的两个垂直的面分别与第一矩形条11和第二矩形条12之间存在间隙，间隙中填充有膨胀材料。

基底3上周期设置有多个手性单元，每个手性单元均包括第一矩形条11、第二矩形条12和直角三棱柱2，多个该手性单元在该基底3上的设置周期根据实际需要进行设置，一般的设置为方形周期，为了方便说明本申请以该基底3上的该手性单元的设置周期为矩形，且设置数量为十六个进行说明，十六个手性单元4*4的垂直设置在该基底3上，该第一矩形条11和第二矩形条12的形状为长方体，且长方体的长宽比例较大，即该长方体的第一矩形条11和第二矩形条12均为截面为长方形的薄板，该第一矩形条11和第二矩形条12沿一条棱的方向固定连接，使得该第一矩形条11和第二矩形条12之间形成一个夹角，一般的，将该夹角设置为九十度，即使得该第一矩形条11和该第二矩形条12相互垂直，且该第一矩形条11、第二矩形条12和该直角三棱柱2同时垂直于该基底3，该直角三棱柱2的两个直角面分别与该第一矩形条11和该第二矩形条12平行，并且该直角三棱柱2的直角面与该第一矩形条11和第二矩形条12之间存在一定的间隙，该间隙内填充有膨胀材料，该膨胀材料可以热膨胀材料，也可以是磁膨胀材料，在此不做具体限定，该直角三棱柱2的直角面与该第一矩形条11和第二矩形条12之间的间隙距离根据实际需要进行设置，在此不做具体限定，由于该手性缝隙结构只包括基底3和基底3上周期设置的多个手性单元，每个手性单元包括第一矩形条11、第二矩形条12和直角三棱柱2，则本申请的手性缝隙结构简单，且可以在需要该手性缝隙结构的手性信号发生变化的时候，改变该手性缝隙结构中膨胀材料的体积，进而使得该手性缝隙结构的结构改变，进而完成该手性缝隙结构的手性信号大小和频率发生相应的变化，并且由于圆二色光谱对缝隙的变化分成敏感，则本申请的手性缝隙结构的也具有高灵敏度的特点。

并且本申请由于该结构通过在两个不同形状的结构之间构建不同大小的缝隙，从而使得在不同的缝隙处形成不同的电场聚集，为手性信号的产生提供了一种新思路。

可选地，该直角三棱柱2的两个垂直的面分别与第一矩形条11和第二矩形条12之间的距离不同。

该直角三棱柱2的两个垂直的面分别与第一矩形条11和第二矩形条12之间的距离不同，即表示该直角三棱柱2的两个垂直的面分别与第一矩形条11和第二矩形条12之间的间隙大小不一样，如此更容易增大两条缝隙的差异，使得其在不同圆偏振光的激发下聚集的电场差异增大，从而增大结构的手性

可选地，该第一矩形条11、第二矩形条12和直角三棱柱2的材料均为贵金属材料。

可选地，该第一矩形条11、第二矩形条12和直角三棱柱2的材料均为金、银和铜中至少一种。

该第一矩形条11、第二矩形条12和直角三棱柱2的材料可以为金、银和铜任意一种金属单质，也可以为金、银和铜重多种金属组成的混合金属，若该第一矩形条11、第二矩形条12和直角三棱柱2的材料为金、银和铜重多种金属组成的混合金属，则混合贵金属种类和混合比例根据实际需要进行设置，在此不做具体限定。

可选地，该第一矩形条11、第二矩形条12和直角三棱柱2的高度为320纳米-400纳米。

该第一矩形条11、第二矩形条12和直角三棱柱2高度一般设置为同样高度，且高度可以为320纳米，还可以为350纳米，还可以为400纳米。

可选地，该膨胀材料为热膨胀材料。

该直角三棱柱2的两个垂直的面分别与第一矩形条11和第二矩形条12之间存在间隙中填充有膨胀材料为热膨胀材料，即该膨胀材料受热膨胀，改变该直角三棱柱2的两个垂直的面分别与第一矩形条11和第二矩形条12之间的间距。

可选地，该基底3上设置的多个手性单元的周期为480纳米-520纳米。

图3为本发明一实施例提供的另一种性缝隙结构的手性单元的示意图；如图3所示，可选地，该第一矩形条11和第二矩形条12靠近直角三棱柱2的一侧均设置有多个凸起。

该第一矩形条11和第二矩形条12靠近直角三棱柱2的一侧均设置有多个凸起，如此更容易增大两条缝隙的差异，使得其在不同圆偏振光的激发下聚集的电场差异增大，从而增大结构的手性。另外，当该手性缝隙结构应用在温度传感时，两个缝隙之间填充的热膨胀材料由于凸起的存在对外界温度的变化更敏感，因此用该结构进行温度传感具有灵敏度高的优点。

可选地，该手性缝隙结构还包括温度调节装置，温度调节装置设置在基底3远离手性单元的一侧。

该温度调节装置用于控制该手性缝隙结构的温度，继而控制该直角三棱柱2的两个垂直的面分别与第一矩形条11和第二矩形条12之间的距离，在需要输出一定的手性信号的大小和频率时，只需要控制该温度调节装置的温度即可。

为了进一步体现本申请的手性缝隙结构对手性信号大小和频率的调控效果，则过使用三维有限元方法(FEM)计算软件COMSOL Multiphysics对该手性缝隙结构进行计算模拟试验。具体设置参数如下：

第一矩形条11和第二矩形条12的长度均为400纳米，宽度均为100纳米。直角三棱柱2的长边为260纳米，短边为220纳米。该手性缝隙结构的厚度为360纳米，周期为500纳米。第一矩形条11与直角三棱柱2的短边的间隙为50纳米，第二矩形条12与直角三棱柱2的长边的间隙为100纳米。入射光为圆偏振光正入射，第一矩形条11、第二矩形条12和直角三棱柱2的材料均为金属银。

图4为本发明一种手性缝隙结构的吸收和圆二色性光谱图；如图4所示，带有方形和圆形的谱线分别代表该手性缝隙结构在左旋圆偏振光和右旋圆偏振光激发下的吸收谱线，带有三角形的谱线代表该手性缝隙结构的圆二色谱线。横坐标表示波长，纵坐标表示该手性缝隙结构的吸收强度或圆二色强度。可以观察到在580纳米处出现了明显的圆二色性效应。

图5为本发明一种手性缝隙结构的在共振波长580纳米处的电场分布图；如图5所示，可以发现，另外在不同圆偏振光的激发下，不同宽度的缝隙处出现的强电场聚集情况是不一样。左旋光激发情况下，强电场主要聚集在第二矩形条12与直角三棱柱2长边之间的缝隙中，右旋光激发情况下，强电场主要聚集在第一矩形条11与直角三棱柱2短边之间的缝隙中。正是这种不同缝隙处电场聚集的差异造成了该手性缝隙结构圆二色性效应的出现，为圆二色信号的产生提供了一种新机制。

本发明提供的一种手性缝隙结构，是由两种常见形状的简单组合，相对于复杂的万字形、风车形等手性结构具有结构简单的优点。另外，由于该结构通过在两个不同形状的结构之间构建不同大小的缝隙，从而使得在不同的缝隙处形成不同的电场聚集，为手性结构的产生提供了一种新思路。

本申请提供的手性缝隙结构包括：基底3和基底3上周期设置的多个手性单元，每个手性单元包括第一矩形条11、第二矩形条12和直角三棱柱2，第一矩形条11、第二矩形条12和直角三棱柱2均垂直设置在基底3的一侧，第一矩形条11的长边和第二矩形条12的长边固定连接，且第一矩形条11和第二矩形条12之间的夹角为直角，直角三棱柱2的两个垂直的面分别与第一矩形条11和第二矩形条12垂直的面平行，直角三棱柱2的两个垂直的面分别与第一矩形条11和第二矩形条12之间存在间隙，间隙中填充有膨胀材料；由于该手性缝隙结构只包括基底3和基底3上周期设置的多个手性单元，每个手性单元包括第一矩形条11、第二矩形条12和直角三棱柱2，则本申请的手性缝隙结构简单，且可以在需要该手性缝隙结构的手性信号发生变化的时候，改变该手性缝隙结构中膨胀材料的体积，进而使得该手性缝隙结构的结构改变，进而完成该手性缝隙结构的手性信号大小和频率发生相应的变化，并且由于圆二色光谱对缝隙的变化分成敏感，则本申请的手性缝隙结构的也具有高灵敏度的特点。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。