范德华尔斯材料在转角光学中的研究进展

极化激元是光与不同极化子相互作用形成的半光半物质的准粒子,可用于亚波长尺度的光场调控,在光学成像、非线性效应增强及新型超构材料设计等领域扮演着举足重轻的角色。近年来,随着人们对转角范德华尔斯材料体系的制备工艺和物性研究的不断深入,其中许多新奇的极化激元现象也被揭示。本文综述了近年来转角范德华尔斯材料在光学领域的研究进展,包含转角石墨烯体系中的等离极化激元,转角二维过渡金属硫化物中的激子极化激元与六方氮化硼(h-BN)与α-MoO_3体系中的声子极化激元等。最后展望转角二维范德华尔斯材料中的极化激元在纳米尺度下光与物质相互作用的有效控制方面所展现的巨大潜力。     

二维极化激元学近场研究进展

极化激元学可以实现纳米尺度上的光子操控和光与物质相互作用的调控,已经成为现代物理学中的一个重要分支.与传统贵金属相比,二维范德瓦耳斯原子晶体中极化激元具有更强的局域能力且可实现主观调控.近期,利用扫描式近场光学显微镜在二维体系中观察到了多种类型的极化激元,为今后量子物理和纳米光子学的发展提供了新思路.本文主要介绍通过近场光学手段揭示二维极化激元学的重要进展和实验结果.在介绍近场光学及其成像原理的基础上,总结了二维极化激元学中近场研究进展的几个重要研究方向,包括等离极化激元、声子极化激元、激子极化激元和杂化型极化激元等.最后提出了近场光学今后可能的发展方向.     

太赫兹表面极化激元

作为束缚于表面或界面的电磁波与极性元激发的耦合模量子,表面极化激元是克服衍射极限的核心物理.在紫外、可见以及近红外波段,表面等离子极化激元展现出了亚波长特性,具有高分辨成像等应用,并发展成为"表面等离子极化激元亚波长光学"学科;在中红外波段,表面声子极化激元发挥着同样的作用.太赫兹波段曾是人类认识的空白区域,近三十年来得以高速发展,其战略意义重大.具有克服衍射极限能力的太赫兹表面极化激元同样是小型化与集成化太赫兹器件,以及太赫兹超高分辨成像的重要物理基础.近几年来,对以石墨烯为代表的二维材料的研究突飞猛进,诞生了"石墨烯表面等离子极化激元亚波长光学"这门学科,并贡献于太赫兹领域.本文对可在太赫兹波段工作的人工超构材料、掺杂半导体、二维电子气、二维材料、拓扑绝缘体等结构材料的表面极化激元进行了较为全面的总结与介绍,为研制克服衍射极限的太赫兹集成光子学器件提供可资借鉴的物理基础.     

超高真空条件下分子束外延生长的单层二维原子晶体材料的研究进展

二维原子晶体材料具有与石墨烯相似的晶格结构和物理性质,为纳米尺度器件的科学研究提供了广阔的平台.研究这些二维原子晶体材料,一方面有望弥补石墨烯零能隙的不足;另一方面继续发掘它们的特殊性质,有望拓宽二维原子晶体材料的应用领域.本文综述了近几年在超高真空条件下利用分子束外延生长技术制备的各种类石墨烯单层二维原子晶体材料,其中包括单元素二维原子晶体材料(硅烯、锗烯、锡烯、硼烯、铪烯、磷烯、锑烯、铋烯)和双元素二维原子晶体材料(六方氮化硼、过渡金属二硫化物、硒化铜、碲化银等).通过扫描隧道显微镜、低能电子衍射等实验手段并结合第一性原理计算,对二维原子晶体材料的原子结构、能带结构、电学特性等方面进行了介绍.这些二维原子晶体材料所展现出的优异的物理特性,使其在未来电学器件方面具有广阔的应用前景.最后总结了单层二维原子晶体材料领域可能面临的问题,同时对二维原子晶体材料的研究方向进行了展望.     

基于石墨烯-hBN薄膜多波段光吸收特性调控

在红外波段,石墨烯和六方氮化硼(Hexagonal Boron Nitride,hBN)作为能够激发等离子体激元(Plasmons Polariton)和声子极化激元(Phonon Polariton)很好的二维(Two-Dimensional,2D)材料,在传感、波导和探测领域等将有着极大的应用价值。本文设计一种石墨烯-hBN/银光栅混合异质结构,利用光栅沟槽内激发的磁极化(Magnetic Polariton,MP)效应诱导等离子体-声子极化激元增强和调控混合异质结构的吸收率.混合异质结构的吸收率和电磁场特性基于有限元的计算方法,并研究了结构参数变化对吸收特性的影响。所提出的混合结构可为光学探测等领域提供潜在的参考。     

低维材料极化激元及其耦合特性

极化激元—光与物质中的电子、声子、激子或磁振子等发生强耦合而形成的一种新的集体振荡模式,近年来在纳米光子学领域受到了广泛的关注.低维材料极化激元拥有的高空间压缩比、低损耗、光电可调控等特点使其在微纳光子学器件中有着极高的潜在应用价值,比如石墨烯中波长可调的等离极化激元、六方氮化硼中高质量的双曲声子极化激元、三氧化钼中面内各向异性的拓扑声子极化激元、碳纳米管中的一维拉廷格液体等离极化激元等.这些极化激元相互之间以及极化激元与外场之间还能进一步发生显著的耦合相互作用,产生各种丰富新奇的物理现象,极大地拓展了极化激元的应用前景.本文以几种典型的低维纳米材料中极化激元的耦合特性为例,从表征纳米极化激元的扫描近场光学显微技术出发,首先简单介绍几种典型极化激元的基本性质,然后详细讨论各种极化激元之间以及极化激元与外场的耦合,最后展望极化激元耦合作用的潜在应用.     

二维原子晶体的低电压扫描透射电子显微学研究

二维原子晶体材料,如石墨烯和过渡金属硫族化合物等,具有不同于其块体的独特性能,有望在二维半导体器件中得到广泛应用.晶体中的结构缺陷对材料的物理化学性能有直接的影响,因此研究结构缺陷和局域物性之间的关联是当前二维原子晶体研究中的重要内容,需要高空间分辨率的结构研究手段.由于绝大部分二维原子晶体在高能量高剂量的电子束辐照下容易发生结构损伤,利用电子显微方法对二维原子晶体缺陷的研究面临诸多挑战.低电压球差校正扫描透射电子显微(STEM)技术的发展,一个主要目标就是希望在不损伤结构的前提下对二维原子晶体的本征结构缺陷进行研究.在STEM下,多种不同的信号能够被同步采集,包括原子序数衬度高分辨像和电子能量损失谱等,是表征二维原子晶体缺陷的有力工具,不但能对材料的本征结构进行单原子尺度的成像和能谱分析,还能记录材料结构的动态变化.通过调节电子束加速电压和电子辐照剂量,扫描透射电子显微镜也可以作为电子刻蚀二维原子晶体材料的平台,用于加工新型纳米结构以及探索新型二维原子晶体的原位制备.本综述主要以本课题组在石墨烯和二维过渡金属硫族化合物体系的研究为例,介绍低电压扫描透射电子显微学在二维原子晶体材料研究中的实际应用.     

等离激元增强的石墨烯光吸收

石墨烯中等离激元具有特殊的光电性质,其和入射光的强烈耦合可以引起光吸收的增强.本文基于时域有限差分法和多体自洽场理论研究了等离激元对处于光学谐振腔中的石墨烯光吸收的影响.由于石墨烯中等离激元与入射光动量和能量不匹配而不能直接相互作用,因此石墨烯上施加了金属光栅结构.研究发现光栅结构能够对入射光进行动量补偿并且能够引起其下石墨烯中的电场强度产生很大程度增强,从而导致在该石墨烯结构中太赫兹等离激元和入射光发生强烈耦合而产生太赫兹等离极化激元,同时引起石墨烯光吸收的增强.希望本文能够加深对石墨烯光电特性的理解以及可以为基于石墨烯的太赫兹光电装置提供一定的理论依据.     

基于磁激元效应的石墨烯-金属纳米结构近红外吸收研究

石墨烯作为一种单层碳原子二维材料,在可见光和近红外波段吸收率只有2.3%左右,这限制了石墨烯在光电探测、光电调制等领域的应用.本文基于纳米超材料结构的磁激元共振效应,设计了一种金属-绝缘层-金属-石墨烯混合二维浅光栅结构,通过设计混合二维浅光栅结构尺寸来改变石墨烯化学势,实现了石墨烯在近红外波段的吸收增强和调制.利用有限元仿真和等效电路模型,系统地分析了非正入射、结构参数和石墨烯化学势对吸收特性的影响.研究结果表明,混合二维浅光栅结构的磁激元共振效应可以明显提升石墨烯在近红外波段的吸收率,并且对入射角度和极化方向不敏感.在特定结构参数下,混合二维浅光栅结构在1480nm处吸收率达到了85%,其中石墨烯的吸收率为55%,提升了24倍;通过调控石墨烯化学势从0.1eV增大到1.0eV,分别实现了不同结构尺寸下54.8%,50.3%,46.8%的反射率调制深度.     

超高真空构筑新型二维材料及其异质结构

由于量子受限效应,二维材料表现出很多三维材料所不具备的优异电学、光学、热学以及力学性能,为研究人员所关注.材料的优异物性离不开高质量材料的制备,超高真空环境可以减少杂质分子的污染与影响,提高二维材料的质量与性能.本文介绍基于超高真空环境的新型二维原子晶体材料的原位制备方法,包括利用分子束外延构筑新型二维材料、利用石墨烯插层构筑新型二维原子晶体材料异质结构以及利用扫描探针原位操纵构筑二维材料异质结构三大类.文章回顾利用这三类方法构筑的二维材料及其物理化学性质,比较三种方法各自的优势与局限性,对未来二维材料制备提供一定的指引.     

石墨烯等二维原子晶体薄片样品的光学衬度计算及其层数表征

本文以鉴别机械剥离法制备的高质量石墨烯样品的层数为例, 阐明了如何利用传输矩阵来计算二维原子晶体薄片样品的光学衬度, 并进一步精确地鉴别其层数. 计算结果表明测试时所选用的显微物镜数值孔径对精确确定薄片样品的层数非常重要, 并为实验所证实. 同时提出了使用两个激光波长可以快速地表征样品尺寸接近物镜衍射极限的薄片样品层数的方法. 本文所采用的传输矩阵形式非常适合于计算二维原子晶体薄片样品的光学衬度, 并可以方便地推广到更复杂的多层衬底结构, 以便快速和准确地鉴别各种衬底上二维原子晶体薄片样品的厚度. 关键词： 二维原子晶体材料 层数 传输矩阵 光学衬度     

基于VO2和石墨烯实现hBN声子极化激元和自发发射率的主动调谐

鉴于极化激元对介电环境异常敏感的特性,本文中提出了双曲材料六方氮化硼(hBN)和石墨烯与相变材料二氧化钒(VO₂)组成的异质结构,用来研究hBN声子极化激元(PhPs)的主动可调谐性.研究结果表明,通过控制hBN/VO₂异质结构中VO₂相变可实现对hBN PhPs的主动调谐,获得主动可调谐的自发发射(SE)率.当在hBN/VO₂异质结构中添加石墨烯时,会在hBN双曲线带内耦合产生双曲等离子体-声子极化激元(HPPPs),而在双曲线带外产生表面等离子体-声子极化激元(SPPPs),通过控制VO₂相态和调节石墨烯化学势亦可实现石墨烯/hBN/VO₂异质结构的耦合色散及SE率的主动调谐.该研究为使用诸如相变材料和石墨烯等功能材料调谐各向异性光学材料与光的相互作用机制提供了理论指导.     

掺杂石墨烯系统电场调控的非线性太赫兹光学特性研究

石墨烯是单原子厚的二维狄拉克相对论费米子系统,其优秀的光电学性质得到了广泛的关注和研究. 本论文利用量子理论研究掺杂石墨烯系统外电场和光场共同作用下的非平衡载流子的非线性太赫兹光学性质. 研究发现,掺杂石墨烯带内光吸收表现出强的非线性太赫兹光学特性. 随着外加偏压电场的增大,石墨烯非线性光学响应增强;随着外界太赫兹光频率的减小,非线特性增强. 研究表明通过改变电场强度,可以有效调节石墨烯系统太赫兹非线性光学特性. 研究结果为探索和发展以石墨烯为基础的新型纳米太赫兹光电器件的研究和实际应用提供了理论依据. 关键词： 石墨烯 太赫兹 非线性 光电流     

单元素二维原子晶体材料研究进展

非碳元素构成的二维单质原子晶体材料,具有与石墨烯相似的单层结构和物理性质,对它们的研究有望发掘一些崭新的性能及相关的应用,是当前凝聚态物理及新材料等相关领域的重要研究方向之一。文章详细介绍了近几年发展起来的单一元素所形成的二维原子晶体材料,分别对其结构、物性、应用前景等方面的研究进展进行了综述介绍。     

等离激元能带结构与应用

近些年来,表面等离激元因其具有强局域、亚波长和高场强等特殊的光学性质而备受关注,在化学、生物、通信、纳米能源等各领域得到了广泛的研究.为了更好地控制表面等离激元的激发、传播和辐射,具有能带结构的周期性表面等离激元结构被广泛的研究.本文全面综述了具有等离激元能带的微纳结构、能带的产生机制与其特殊的性质,包括连续谱中的束缚态、波导、全带隙、拓扑等.在此基础上,基于等离激元能带设计所开展的一些应用也予以系统总结.最后,随着新材料的发现,本文还简要介绍了二维材料石墨烯等离激元能带和它的一些应用.     

利用石墨烯等离激元与表面声子耦合增强量子摩擦

详细研究了以Si C为基底的石墨烯之间量子摩擦.由于Si C可以支持表面声子极化子,石墨烯可以支持表面等离激元,在一定的频率范围,表面声子极化子和等离激元能够耦合.发现相对于单纯石墨烯或Si C来说,由于表面声子极化子与石墨烯等离激元的共同作用,以Si C为基底的石墨烯之间的量子摩擦有很大的增强.此外,我们发现量子摩擦系数随石墨烯化学势的增加先增加后减小,摩擦系数可以取得最大值.本文的研究对于微/纳机电系统的制作具有积极的意义.     

Bessel型光晶格中自旋-轨道耦合极化激元凝聚的稳态结构

Bessel型光晶格是一种非空间周期性的柱对称的光晶格势场,其兼具无限深势阱和环状势阱的特征,在0阶Bessel光晶格势场中央形成深势阱,而在非0阶Beseel光晶格势场中能形成具有中央势垒的环状浅势阱.极化激元是一种半光半物质的准粒子,该准粒子甚至可以在室温条件下发生玻色-爱因斯坦凝聚相变,形成极化激元凝聚.另外,通过极化激元能级的腔诱导TE-TM分裂能在极化激元凝聚中实现足够强的自旋-轨道耦合作用.极化激元凝聚能在室温条件下实现,在其中又存在自旋-轨道耦合作用,其为量子物理的研究提供了全新的平台.本文把Bessel光晶格势场引入到极化激元凝聚系统,研究了存在自旋-轨道耦合作用下的旋量双组分极化激元凝聚系统的稳态结构.通过求解Gross-Pitaevskii方程给出了极化激元凝聚系统在实验室坐标系和旋转坐标系中极化激元凝聚系统的稳态结构,由于Bessel势场的引入,使得稳态结构更具有多样性.给出了实验室坐标系中在中央深势阱中存在的基础型高斯孤立子、多极孤立子和在环状浅势阱中存在环状孤立子和多极孤立子的稳态结构;给出了旋转坐标系中存在的涡旋环状孤立子,及其由于自旋-轨道相互作用引起的组...     

二维有限元方法研究石墨烯环中磁等离激元

石墨烯等离激元是决定石墨烯光学性质的重要元激发,拥有一系列优异的特性,其通过外置电场的动态可调性最引人注目;石墨烯具有很强的磁场响应(如室温观测的量子霍尔效应),因而磁场可作为一个新的调控自由度,形成的准粒子叫作石墨烯磁等离激元.鉴于石墨烯的二维属性,石墨烯磁等离激元的研究大多采用三维近似,即将石墨烯等效成厚度很薄的三维块材,该处理方案需消耗大量的计算资源.本文在准静态近似下,围绕库仑定律和电荷守恒定律,构建了高效的二维有限元方法,自洽地求解石墨烯面内的积分微分方程,并提出本征值损失谱表征准粒子的激发.利用二维有限元方法,探讨了4类石墨烯环中磁等离激元的激发;最低阶的偶极共振都支持磁等离激元的对称劈裂,在孔很小时,其对模式劈裂的影响可忽略,但当孔的尺寸变大时,内外边界的相互作用将抑制模式劈裂,并最终导致其消失.     

二维函数光子晶体

光子晶体是由两种或两种以上不同介电常数材料所构成的周期性光学纳米结构.光子晶体结构可分为一维、二维和三维,其中二维光子晶体已成为研究的热点.可调带隙的二维光子晶体可以设计出新型的光学器件,因此,对它的研究具有重要的理论意义和应用价值.本文提出的二维新型函数光子晶体可以实现光子晶体带隙的可调性.所谓二维函数光子晶体,即组成它的介质柱的介电常数是空间坐标的函数,它不同于介电常数为常数的二维常规光子晶体.二维函数光子晶体是通过光折变非线性光学效应或电光效应使介质柱的介电常数成为空间坐标的函数.运用平面波展开法给出了TE和TM波的本征方程,由傅里叶变换得到二维函数光子晶体介电常数ε(r)的傅里叶变换ε(G),其傅里叶变换比常规二维光子晶体的复杂.计算发现当介质柱介电常数为常数时,其傅里叶变换与常规二维光子晶体的相同,因此二维常规光子晶体是二维函数光子晶体的特例.在此基础上具体研究了二维函数光子晶体TE波和TM波的带隙结构,其介质柱介电常数函数形式取为ε(r)=k·r+b,其中k,b为可调的参数.并与二维常规光子晶体TE波和TM波的带隙结构进行了比较,发现二维函数光子晶体与二维常规光子晶体TE波和TM波的带隙结构有明显的区别,二维函数光子晶体的带隙数目、位置以及宽度随参数k的变化而发生改变.从而实现了二维函数光子晶体带隙结构的可调性,为基于二维光子晶体的光学器件的设计提供了新的设计方法和重要的理论依据.     

石墨烯光学性质及其应用研究进展

石墨烯因其优异的光学和电学性能,及其与硅基半导体工艺的兼容性,而备受学术界和工业界的广泛关注。作为一种独特的二维原子晶体材料,石墨烯有着优异的机械性能、超高的热导率和载流子迁移率、超宽带的光学响应谱及极强的非线性光学特性,使其在新型光学和光电器件领域具有得天独厚的优势。一系列基于石墨烯的新型光电器件先后被研制出,已显示出优异的性能和良好的应用前景。本文将介绍石墨烯光学性质、与光的相互作用以及提高方法,并给出其在光子和光电子器件领域的应用,分析了这些器件所使用的结构及特点,重点阐述了在全内反射结构下,石墨烯与光相互作用的增强及其偏振依赖性质,及其利用该偏振依赖性质在光学传感、光存储等方面的应用,以及在细胞传感方面的重要发现。最后对石墨烯光学性质及其应用的现状进行了总结和展望。