局域场是一直微纳光学领域的重要研究对象,它的产生是由于在特定光场作用下,特定天线结构表面自由电子的集聚性振荡。由于其超分辨、强场增强效应,因此在超分辨成像,拉曼荧光增强,纳米颗粒操作等领域发挥着重要作用。本论文紧密围绕Bowtie天线中局域光场的激发这一关键问题,基于两种不同的物理手段,实现超分辨局域场的激发,并优化发展了一些典型应用。文章从光学激发手段出发,结合模型仿真与新颖的天线加工方法,优化了天线的场增强因子、透射效率与局域场分辨率。并以此为基础优化了近场扫描光刻系统,实现了较高分辨率的光刻直写。文章还创新性地从电学角度出发,通过隧穿结实现电子非弹性隧穿到局域等离子的能量转移,实现了一种高出射功率的电激发纳米光源发光功率可达1.4nW,效率达到了10-4。论文的主要研究内容包括:1.结合有限时域差分法研究Bowtie天线几何参数对局域光场强度、分辨率与透射效率的影响机制,总结影响天线局域性能的关键指标;分析天线的谐振特性,结合天线的透射光谱与波导理论,验证等离子体共振与端面FP共振对天线光谱特性的影响,从而由此设计特定应用的Bowtie型天线;2.针对现有Bowtie加工存在的问题,提出背面加工方案,有效缩小天线的间距尺寸,实现了间距小于9nm的Bowtie型天线,这将局限场的分辨率推向极限。优化现有近场扫描光刻实验平台,结合超细线宽脊型天线与柔性被动协变台的设计,完成了分辨率达16nm的动态扫描实验。3.由于Bowtie天线局域特性只能存在近场,在传播方向上则以倏逝光场存在。为延长Bowtie天线的工作距离,从超材料的异常色散能力出发,结合的超材料设计,实现对天线倏逝场的调制作用。分析不同色散关系下对倏逝场传播的影响关系,选取基于金属-介质-金属多层膜系材料结构的超材料体系,实现双曲色散的特定色散关系。优化近场扫描光刻的曝光系统,实现焦深达100nm的光刻结果。4.使用电学方案激发局域光场是基于隧穿行为产生的。在隧穿过程中,一部分电子弹性隧穿过势垒而无能量损失,另外一部分则发生非弹性隧穿,将能量传递给等离子体或者声子。这部分等离子体将在天线的作用下产生局域场。本文提出了一种新型Bowtie结构设计,利用可控的电迁移方案,实现小于1nm的隧穿结宽度,且这种隧穿结可以定位在天线中心。结合Simmons模型,表征隧穿的Ⅳ特性曲线,并拟合得到隧穿间距为0.6nm。通过测量电致荧光的光谱,首次在等离子天线的平台上观测到多峰共振的效应,利用多洛伦兹函数的拟合出射光谱,并验证其来源于多阶局域等离子体共振效应。通过改变天线的几何结构参数,可以将出射光谱的能量峰值在1.39eV到1.9eV范围内调谐。出射荧光的最大功率可达1.4nW,比目前报道的结果高出两个量级,效率达到了 104,这是目前单等离子体天线观测到的最强出射功率。较强出射功率成因主要源于三点特性,一是微安量级的隧穿电流,二是多阶局域等离子体模式共振带来多个自发辐射通道,三是天线辐射效率优化。本文的主要创新点包括:1.基于背面加工方法,实现超细间距的Bowtie型天线加工,结合多维度柔性协变台设计,实现线宽小于16nm的动态扫描光刻实验;2.提出基于电学方案实现局域场激发的思路,分析隧穿电子非弹性隧穿机制,设计新型等离子体天线,减小等离子体在隧穿结中传播过程中的损耗,提高电致荧光出射强度;3.基于电迁移实验方案,实现亚纳米尺度的隧穿结,有效提高隧穿电流,间接提高电致荧光的出射功率;4.分析电致荧光出射光谱特性,结合多阶局域等离子体共振效应,解释光谱中的多峰出射特性。