基于间隙模式等离激元纳米腔的极限光子约束技术及其在纳米成像与折射率传感中的多功能应用

本文系统阐述了三维锥形等离激元纳米腔（BNA）通过间隙表面等离激元极化激元（GSPPs）实现深亚波长光场约束的突破性进展。该结构通过光子-等离激元耦合体系产生高波矢（high-k）悬链式光学场，在纳米光刻中实现8 nm分辨率，并为折射率传感提供新型芯片平台，为纳米光子学在生物传感和超高分辨率成像领域的应用开辟新途径。

　　

锥形等离激元BNA纳米腔诱导的非凡光学场

本研究选择基于金属-绝缘体-金属（Au-空气-Au）对称间隙表面等离激元极化激元（GSPPs）模式的间隙模式等离激元纳米腔（如图1）。锥形MIM结构无截止频率且能有效抵抗能量损耗问题。由于等离激元BNA难以通过解析方法评估，且其金属部分在光学频率下具有高色散特性，本研究采用三维有限时域差分法（FDTD, Ansys）对提出的锥形等离激元BNA纳米腔进行表征。

间隙等离激元增强的纳米成像

理论研究和数值计算表明，液体锥形等离激元BNA纳米腔具有两大显著特性：将光学场压缩超越经典衍射极限，以及将光学场放大至显著高于入射场的量级。第一个特性是等离激元纳米光刻的基础，第二个特性则可导致增强吸收，为高分辨率纳米成像和纳米操作提供独特平台。

结论

总之，我们首次通过数值模拟验证了液体锥形等离激元BNA纳米腔可作为纳米光刻工具和等离激元传感器。FDTD模拟结果表明，GSPPs能够传播并绝热地聚焦于锥形等离激元BNA纳米腔的顶点，从而以最小损耗实现光能的引导与定位。通过考虑量子隧穿、纳米局域效应和非线性响应等机制，进一步分析了这种能量传递过程。