对称双层纳米柱四聚体阵列中的双超窄带共振 Li X, Yang W, Wei Y, Zhang X, Wang F, Yu P, 等. Optics Express 2025,33,41810-41822.

《Physica B: Condensed Matter》：Dual ultra-narrow-band resonances in symmetric double layered nanopillar tetramer arrays

　　

• •
  构建了一种对称双层Si/SiO₂纳米柱四聚体阵列，用于激发两种超窄带表面晶格共振（SLR）。
• •
  每个单元胞内的四聚体几何构型有效地利用Mie型偶极共振作为高品质、低损耗振荡器，用于长程晶格耦合。
• •
  尽管空气上覆层与石英衬底之间存在固有的折射率不对称性，低折射率SiO₂纳米柱子结构有效地隔离了Si四聚体并保留了相干辐射耦合，确保了在保持超窄线宽的同时实现稳健的SLR激发。
• •
  系统仿真定量地描绘了几何参数（高度、直径、间隙和周期）对SLR光谱位置、线宽和耦合强度的影响。

引言

表面晶格共振（SLR）源于周期阵列中单个纳米粒子的局域共振与衍射波之间的相干相互作用[[1], [2], [3], [4], [5], [6]]。与孤立的纳米粒子相比，SLR通过显著抑制辐射损耗，表现出极其窄的线宽和强烈的局域电磁场[7,8]。这些特性使其在增强光-物质相互作用方面非常有效，并已在低阈值纳米激光器、光学传感器和表面增强光谱学等领域得到应用[[9], [10], [11], [12]]。

传统上，SLR主要在高贵金属纳米粒子阵列中实现，利用局域表面等离激元共振（LSPR）与衍射波之间的耦合。然而，此类等离激元SLR的性能受限于两个关键因素：金属在光学频率下固有的显著欧姆损耗[[13], [14], [15], [16]]，以及对衬底与上覆层之间介电不对称性的显著敏感性[17]。这种不对称性破坏了长程衍射耦合所必需的相位匹配条件，从而拓宽了共振线宽，并降低了在现实条件下可达到的场增强效果。

为克服损耗限制，高折射率介电纳米粒子，如硅（Si），已成为一种有前景的替代方案[18,19]。这些纳米结构支持低损耗的电偶极和磁偶极Mie共振，能够形成具有固有更窄线宽的SLR（Mie-SLR）[[20], [21], [22]]。然而，此类共振仍然对环境不对称性敏感。一种广泛采用的策略是在共振纳米粒子与衬底之间引入低折射率介电纳米柱阵列[23,24]或低折射率介电层[25]，以减轻衬底的破坏性影响。这种低折射率介电纳米柱阵列为共振纳米粒子阵列提供了更加均匀的介电环境，有助于均匀化近场分布并抑制不必要的辐射泄漏，从而维持晶格模式的相干性。

最近的进展表明，纳米粒子的定制聚集可以显著增强其集体光学响应[26]。间距紧密的纳米粒子会发生近场耦合和模式杂化，从而放大局域场并改变单元胞的散射特性。集体晶格共振已在具有多粒子单元胞的周期阵列中被广泛研究，包括二聚体[21,27]、三聚体[28]、四聚体[29]和寡聚体[30]，其中簇内杂化与簇间衍射耦合的相互作用实现了丰富的模式工程。值得注意的是，对称四聚体排列已被证明可以显著增强Mie型偶极响应[29]。当此类簇体以周期方式排列时，簇内杂化与簇间衍射耦合的相互作用为定制SLR开辟了一个丰富的设计空间。然而，据我们所知，在非对称折射率条件下，全介电双层四聚体阵列中的双超窄带SLR此前尚未见报道。

本文介绍了一种能够支持双超窄带SLR的对称双层Si/SiO₂纳米柱四聚体阵列。在该阵列中，Si纳米柱四聚体置于SiO₂纳米柱四聚体之上，后者又支撑于石英衬底上。该结构具有显著优势。首先，每个单元胞内的对称四聚体几何构型旨在高效激发并增强Mie型偶极共振，为晶格耦合提供强而低损耗的振荡源。其次，四聚体簇的固有对称性及其置于低折射率介电纳米柱阵列上的布局，旨在即使在不平衡折射率条件下也能促进相干耦合。此外，通过仿真研究了几何参数（如Si/SiO₂纳米柱四聚体的高度和直径、纳米柱之间的间隙以及阵列的周期）对SLR的光谱位置、半高宽（FWHM）和强度的影响。

各章节摘要

建模细节

图1展示了支撑在石英衬底上的对称双层Si/SiO₂纳米柱四聚体阵列。每个四聚体单元由四根纳米柱组成，它们具有相同的直径（D）、相同的Si高度（h_Si）、相同的SiO₂高度（h_SiO2），以及在x和y方向上相等的柱间间隙（g）。几何参数的变化范围如下：h_Si从80 nm到120 nm，D从60 nm到80 nm，h_SiO2从0 nm到900 nm，g从20 nm到60 nm。阵列周期（P）沿

结果与讨论

图2(a)展示了石英衬底上两种不同双层Si/SiO₂纳米柱阵列在x偏振入射下的透射光谱。四聚体阵列在401 nm、469 nm和477 nm处分别表现出三个透射凹陷（黑色曲线）。401 nm处透射凹陷的FWHM约为26 nm，而469 nm和477 nm处透射凹陷的FWHM均约为2.0 nm。x轴取向的二聚体阵列在403 nm和466 nm处表现出两个透射凹陷，

结论

综上所述，对称双层Si/SiO₂纳米柱四聚体阵列被提出用于形成两种SLR（SLR₁和SLR₂）。在y偏振和x偏振入射下的传输响应是相同的。SLR₁主要源于Si纳米柱四聚体的电偶极（ED）共振与垂直于入射电场的衍射波之间的耦合。而SLR₂主要源于平行于入射电场的衍射波与Si之间的耦合

CRediT作者贡献声明

钱悦霞（YueXia Qian）：撰写——原稿撰写、软件、方法论、调查研究、形式化分析、概念构思。黄晓丹（Xiaodan Huang）：撰写——审阅与编辑、监督、形式化分析。邵国建（Guojian Shao）：验证、软件。

利益冲突声明

作者声明与本工作不存在利益冲突。我们声明，与本提交工作相关的任何商业或关联利益均不存在利益冲突。

致谢

本工作得到了高层次人才培训计划（江苏省"333工程"第七期）（资助号：(2024) 3-0603）的支持。

钱悦霞（YueXia Qian）|黄晓丹（Xiaodan Huang）|邵国建（Guojian Shao）