光学天线作为一种典型的光学传感器,在光频段中有助于影响和调节光的辐射特性。到目前为止,光学天线的相关研究已经受到越来越多的关注,主要集中在超衍射极限成像、新型近场光学探针、太阳能的转化效率、纳米尺度内光信息的传播控制、纳米光刻等多个领域。生物传感器是一种对生物物质比较敏感并且可以将其转化为电信号输出的装置,主要包含两个部分:分子识别部分和转换部分。这里的生物物质包含组织、微生物、酶、抗体等等。传感器的分子识别部分检测到目标分析物和固定化生物材料之间的相互作用,然后转换部分将其产生的物理化学、光学、压电、热、声、磁等信号转化为电信号输出。目前生物传感器研究中的一个不断发展的技术就是利用光学天线实现无标记和实时分子识别。由于其具有免标记、最小化的干扰和实时监控等优点,基于表面等离子体共振的纳米天线生物检测技术越来越受到科研工作者的关注。本论文提出的纳米天线采用经典的金属/介质/金属三明治结构,通过干法或湿法刻蚀工艺形成宽度渐变的光栅。当特定波长的光束垂直入射到结构的表面时,将会在金属与介质的交界面上产生强烈的表面等离子体共振,透射光谱也因此产生明显的共振波峰。当放置不同折射率的生物样本在结构表面时,透射光谱共振波峰的位置会发生相应的平移,即可对不同折射率的生物样本进行检测。更重要的是本论文将拓扑绝缘体材料Bi₂Se₃引入三明治结构的中间介质层,通过化学方法改变Bi₂Se₃的存在状态,使其从非晶态转变为晶态,折射率等光学性质会发生改变,从而还能够实现波束的动态调谐。本论文我们还介绍了三种电磁场数值计算常用的方法,最终采用基于时域有限差分法的FDTD Solutions对纳米天线的光学特性进行仿真计算。通过在结构上方放置一层具有一定折射率的材料模拟待测生物样本,研究纳米天线结构透射光谱的变化情况,从理论上验证了其具备较好的生物检测功能。然后通过化学手段改变Bi₂Se₃的状态,研究纳米天线结构的远场辐射图、电磁场强度分布等光学特性的变化情况,结果表明其还具备较好的波束控制功能。