石墨烯/AZO/SiC复合结构的近场辐射换热特性

由于倏逝波贡献,近场辐射换热可以远超黑体辐射定律给出的极限换热热流,对近场辐射换热的调控在近场热光伏及热管理方面有重要的应用前景。石墨烯是一种有潜力的可用于近场辐射换热调控的功能材料。本文研究了由石墨烯、铝掺杂氧化锌(aluminum-doped zinc-oxide,AZO)及SiC构成的多层复合薄膜的近场辐射换热特性。研究发现:"AZO薄膜+SiC基底"结构的频谱辐射热流在SiC的SPhP频域出现谷值,而"SiC薄膜+AZO基底"结构同时在两种表面极化激元的共振频率处出现峰值;覆盖单层石墨烯薄膜对"AZO薄膜+SiC基底"结构的近场辐射换热基本没有影响;而"石墨烯/SiC薄膜/AZO基底"结构却可以同时支持三种表面极化激元,并在调控石墨烯化学势到适当值时,可以有效增强近场换热。本研究有助于理解石墨烯对近场辐射换热的调控特性。     

黑磷光栅的光学特性及其近场辐射换热特性

由于倏逝波贡献,近场辐射换热可以超过由黑体辐射定律给出的极限换热量若干个数量级,近场辐射换热的调控在近场热光伏及热管理等前沿领域有重要的应用前景。黑磷是一种有潜力的可用于近场辐射换热调控的功能材料。本文首先研究黑磷光栅独特的近场光学特性,然后研究I型和II型黑磷光栅的近场辐射换热特性。研究发现:I型和II型光栅均能支持双曲表面等离激元,但I型光栅的表面等离激元传播强度要弱于II型光栅。将掺杂电子浓度、旋转角以及填充率调节到适当值时可以有效增强近场辐射换热。本研究有助于对黑磷近场辐射换热的调控特性的理解。     

石墨烯-六方氮化硼异质结构近场热辐射研究

近些年来,人们在发现近场辐射传热不同于传统换热的机制后,进行了大量的理论研究和实验验证.尤其是新型材料如石墨烯以及各种超材料可以由人工制得后,近场热辐射可以得到更多的电磁调控.本文将石墨烯覆盖在半无限大六方氮化硼上,分析了石墨烯等离极化激元与六方氮化硼声子极化激元耦合产生共振的效果对近场热辐射传热的影响,结果表明覆盖石墨烯之后,六方氮化硼之间的近场热辐射有明显增强。     

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.     

双曲超材料近场热辐射穿透深度研究

双曲超材料对近场辐射换热有新的影响模式,能够影响近场热辐射。本文研究了双曲超材料近场热辐射的穿透深度,考察了双曲超材料填充系数和不同类型双曲模式对穿透深度的影响。研究表明双曲超材料能够获得更大的穿透深度。这将为双曲超材料近场热辐射在热光伏和辐射制冷等领域的广泛应用提供理论基础。     

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.     

基于Ag纳米棒阵列的表面等离激元微型偏振器

采用静电近似理论计算了Ag纳米棒阵列在不同偏振光入射下的消光光谱。当入射光偏振方向平行于纳米棒长轴时会激发表面等离激元纵向振动模式,而当入射光偏振方向垂直于纳米棒长轴时会激发表面等离激元横向振动模式。基于两种模式共振波长的不同,采用Ag纳米棒阵列可以用来设计高性能的表面等离激元微型偏振器。Ag纳米棒阵列的偏振性能在纵向共振波长明显优于在横向共振波长,通过调节纳米棒的纵横比可以对纵向模式的共振峰位进行大范围调控。结果表明这种微型偏振器所适用的波长能够通过纳米棒的纵横比在可见到近红外波段范围内调控,而消光比和插入损耗能够通过纳米棒的直径和长度实现调控。     

银纳米圆盘光天线的远场方向性研究

采用时域有限差分方法计算了银纳米圆盘光天线模型的场分布,研究了光偶极天线的远场辐射特性随距离和厚度、半径变化的规律以及影响其远场方向性的因素.研究发现,偶极子垂直放置在银纳米圆盘下方一定距离时,银盘厚度和半径的改变均可使方向性图中出现新的辐射模式,同时方向性增益得到增强.通过对其近场的观察和分析可以得知,新的辐射模式的产生来源于高阶模式的局域表面等离激元.结果表明,背景材料为GaN时,产生高阶模式局域表面等离激元的合适条件为电偶极子距银盘底部40nm.另外,为了有效地支持高阶模式局域表面等离激元的形成,银盘厚度与半径最小分别为30nm和100nm.本文的研究对掌握纳米银盘结构的光天线特性及其在光器件中的运用有重要意义.     

银纳米圆盘光天线的远场方向性研究

采用时域有限差分方法计算了银纳米圆盘光天线模型的场分布,研究了光偶极天线的远场辐射特性随距离和厚度、半径变化的规律以及影响其远场方向性的因素. 研究发现,偶极子垂直放置在银纳米圆盘下方一定距离时,银盘厚度和半径的改变均可使方向性图中出现新的辐射模式,同时方向性增益得到增强.通过对其近场的观察和分析可以得知,新的辐射模式的产生来源于高阶模式的局域表面等离激元. 结果表明,背景材料为GaN时,产生高阶模式局域表面等离激元的合适条件为电偶极子距银盘底部40 nm. 另外,为了有效地支持高阶模式局域表面等离激元的形成,银盘厚度与半径最小分别为30 nm和100 nm. 本文的研究对掌握纳米银盘结构的光天线特性及其在光器件中的运用有重要意义.     

表面等离极化激元的散射及波前调控

表面等离极化激元在片上信号传输、增强非线性/拉曼效应、生物/化学传感、超分辨成像等方面具有重要应用.在这些应用中,表面等离极化激元的近场传输及远场散射起着重要作用.然而,长期以来人们对相关物理效应缺乏简单有效的理论理解,这也限制了人们对表面等离极化激元的自由调控.本文首先简单回顾了表面等离极化激元的发展历史及现状,接着着重介绍了表面等离极化激元的近场传输效应和远场散射效应,包括其理论进展及其相关应用;最后还介绍了表面等离极化激元的近场波前调控的相关方法.基于这些进展,人们对表面等离极化激元的散射特性有了更为深刻的理解和更加强大的调控能力,这将对未来表面等离极化激元相关研究和应用带来启发.     

等离激元共振能量转移与增强光催化研究进展

等离激元共振能量转移指表面等离激元将俘获的能量通过偶极-偶极相互作用转移到邻近的半导体或分子等激子体系中,它是等离激元非辐射弛豫的一个通道,也可作为获取和利用等离激元共振能量的一种方式.此外,等离激元能量还可以通过热电子弛豫(非辐射)和光散射(辐射)等方式耗散.等离激元各个弛豫通道之间存在着很强的关联,相关的能量转移和电荷转移过程可以将等离激元耗散的能量输送到其他体系或转换为其他能量形式.本文主要介绍了等离激元共振能量转移和与其相关的能量和电荷转移过程(包括等离激元近场增强及耦合、远场散射、热电子弛豫等)的物理机制和动力学性质,并详细介绍了这些机制在增强光催化研究领域的最新进展.     

碳纳米管薄膜周期结构的太赫兹表面等离子波特性研究

在获得太赫兹波段碳纳米管薄膜的介电特性基础上,利用数值THz时域光谱技术研究了碳纳米管薄膜栅周期结构的表面等离子激元的传播特性和局域化现象. 研究结果表明,在栅周期为168 μm时,频率在0.5-2.5 THz之间出现两个等离子模式的共振峰值,分别位于0.99 THz和1.95 THz,这与理论计算结果相符合. 数值计算的表面等离子激元传播距离与理论预测值相一致,达到了146 μm. 此外,分析了栅厚度与栅宽度变化对表面等离子波特性的影响. 关键词： 太赫兹 碳纳米管 表面等离子波     

椭圆截面金纳米管的局域表面等离激元共振特性研究

基于时域有限差分方法研究了几何形状、入射电场偏振方向、管壁厚度及内核和包埋介质的变化对椭圆截面金纳米管局域表面等离激元共振特性的影响.研究发现,当长轴固定时,短轴的减小将导致纳米管消光峰红移;入射电场偏振方向与椭圆长轴夹角的增大将导致消光峰红移;当颗粒整体尺寸不变时,管壁厚度减小同样会使得消光峰红移.此外,内核及包埋介质介电常数的增大均导致消光峰红移.利用等离激元杂化理论及自由电子和振荡电子竞争机理对上述现象进行了理论分析. 关键词： 消光光谱 局域表面等离激元共振 金纳米管 时域有限差分方法     

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.     

六方氮化硼薄膜对石墨烯-碳化硅结构近场热辐射的增强

六方氮化硼(hBN)具有跟石墨烯类似的层状结构和晶格参数,研究发现hBN薄膜具有良好的热传导、电绝缘、光学和力学等性能。本文从理论上研究了hBN薄膜对石墨烯-碳化硅(G/S)结构的近场热辐射的影响。研究发现在红外频段.hBN薄膜在低频率区和高频率区会增强G/S结构的近场热辐射,经计算在G/S结构中加入厚度为10 nm的hBN薄膜时获得的辐射热流是同物理条件下G/S结构的1.5倍;而在中频率区hBN薄膜的厚度阻碍了石墨烯表面等离激元和碳化硅表面声子极化激元的耦合,使得近场热辐射热流随hBN薄膜厚度增加而逐渐减弱。本研究的结果可为下一步实验与应用中对hBN薄膜厚度的选择提供理论基础。     

纳米银线波导中表面等离极化波激发和辐射的偏振特性研究术

在可见光波段（λ=750nm）,实验研究了在端面辅助情况下,细纳米银线波导中表面等离极化波激发和辐射的偏振特性．实验发现在细纳米银线中,不同偏振态的入射光对应的表面等离极化激元的激发和传输效率有明显不同,但对应的出射光始终为方向恒定的线偏振光．对于化学合成的纳米银线,端面的轴对称性普遍比较好,对此类纳米银线进行激发时,如果入射光偏振态与纳米线近似平行,则激发和传输表面等离极化激元的效率最高;如果正交,激发和传输效率则最低．对于某些端面轴对称性较差的纳米银线,如端面为尖端或类斜面,当入射光偏振态与纳米线有一定夹角时,激发和传输表面等离极化激元的效率最高．在入射光偏振改变的过程中出射光的偏振方向始终与纳米银线平行．最后结合有限元差分方法理论解释了纳米银线中这种偏振特性的物理机理．利用纳米银线中表面等离极化激元激发和辐射的偏振特性,可以在亚波长尺寸上实现对光强和偏振态的调控．     

C_(60)富勒烯二聚物的等离激元激发

基于含时密度泛函理论,研究了C60富勒烯二聚物的等离激元激发.当两个C60分子靠近,分子之间的间隙较大,通过电容性相互作用时,二聚物的低能等离激元共振模式随着间隙的减小发生红移.进一步减小间隙时,由于电子的隧穿,C60富勒烯二聚物的等离激元共振模式发生了改变,长程电荷转移激发模式形成.与金属纳米结构二聚物不同,当再继续减小间隙时,长程电荷转移激发模式没有发生蓝移,而是继续红移.在可见光范围内,C60富勒烯二聚物有很强的吸收光谱.     

α相三氧化钼中各向异性双曲声子极化激元的耦合性质

天然双曲声子极化激元材料-α相三氧化钼(α-MoO₃)能够支持高度局域的表面声子极化激元(surface phonon polaritons, SPhPs),达到在中红外波段对光与物质相互作用的过程进行揭示以及调节的目的.我们理论上提出并研究了基于Kretschmann结构的单层和多层α-MoO₃的面内各向异性表面声子极化激元(ASPhPs).通过4×4传递矩阵法(TMM)快速准确地求解多层各向异性介质系统中的反射系数,描述多层系统中激发的SPhPs及色散性质.结果证实层间耦合可以通过多层膜的堆叠以及层厚来调制.当入射角度大于全内反射角时,满足SPhP激发的相位匹配条件.在40°角范围内, SPhP谐振随着入射角度的增加迅速蓝移,但是随后色散曲线不再随着入射角的增大而移动.间隙层的增大会还会致使法布里-珀罗(FP)共振模式的激发.层状异质结构中的ASPhPs是当今纳米光子技术的重要组成部分,我们的研究有助于进一步优化和设计基于极化双曲材料的可控光电器件.     

扫描近场光学显微镜的光耦合偶极子模型

为了研究扫描近场光学显微镜中探针和粗糙样品表面的耦合相互作用,提出了一种光耦合偶极子模型.在该模型中,探针和样品突起都由光极化偶极子表示,在准静态电磁场近似的情况下样品表面的诱导极化效应由影像偶极子表示,应用偶极子辐射理论可以得到系统的自洽场方程.此模型提供了一种直观分析扫描近场光学显微镜中探针和样品相互作用机理的方法.在此基础上,进一步讨论了金属样品的近场成像特点和其特有的局域光学共振现象.数值结果表明：不同于一般的介质样品,金属样品的近场图像与入射光频率直接相关,改变入射光的频率,获得的样品近场图像的形状和对比度都会发生变化.特别是当入射光频率处于样品极化共振范围内时,金属纳米粒子的极化率会出现光极化共振,这样就可以获得样品粒子的最大有效尺寸,为提高系统的分辨率提供了一条重要途径.     

纳米银六角阵列在掺氧氮化硅中的局域表面等离激元共振特性仿真

通过COMSOL Multiphysics 和 Lumerical FDTD solution对不同尺寸纳米银六角阵列在非晶态掺氧氮化硅(a-SiN_x:O)介质中的局域表面等离激元共振(LSPR)特性进行仿真, 计算结果表明半径为25 nm的纳米银六角阵列形成的局域表面等离激元(LSP)与厚度为70 nm的a-SiN_x:O的蓝光发射(460 nm)的共振效果最为显著, 随着纳米银颗粒尺寸的增大其消光共振峰红移. 在460 nm波长激发下半径为25 nm的纳米银阵列在a-SiN_x:O中的极化强度和表面极化电荷的分布模拟证明了该阵列在460 nm激发下形成的LSP为偶极子极化模式, 通过对该尺寸的纳米银阵列的LSP 在a-SiN_x:O中的最强垂直辐射空间计算, 获得了银颗粒上方a-SiN_x:O的最佳厚度为30 nm, 仿真结果对硅基蓝光发射器件(450–460 nm)的设计提供了重要的理论参考.