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.