一维等离激元晶格中的能带结构调控

由于具有将电磁波聚集到深亚波长体积的能力,表面等离激元在纳米光子技术研究工作中得到了广泛的应用。根据其性质,表面等离激元基本可以分为两大类:沿金属与介质界面传播的表面等离极化激元(SPPs)和束缚在金属表面的局域表面等离激元(LSPRs)。SPPs和对应的自由空间电磁波之间存在明显的动量失配,光栅,即一维等离激元晶格,经常被用于弥补动量失配,从自由空间激发SPPs。LSPRs是指在外部光场激发下局域在单个纳米结构周围的表面等离激元。当LSPRs被激发时,会形成近场增强效应,增大对入射光的吸收和散射。事实上,一维等离激元晶格既支持SPPs又支持LSPRs,是研究表面等离激元及其光学性质的很好的基本结构。由于LSPR这个自由度的存在,其中存在着比光子晶体更丰富的能带结构。本文将以一维等离激元晶格为研究对象,分别从能带调控、表面晶格共振、连续域中的束缚态以及玻色-爱因斯坦凝聚四个方面阐述金属等离激元的新颖性质和最新进展。这些性质对于进一步推动表面等离激元的应用具有重要意义。     

基于人工微纳结构的平板衍射透镜

现代显微镜中的物镜受限于瑞利衍射极限,其分辨率不能满足生物成像、材料科学以及光刻等领域的需求。目前,突破瑞利衍射极限的方法可分为近场(如扫描近场光学显微镜、超透镜、微球透镜)和远场(如受激辐射损耗显微镜、光激活定位显微镜、随机光学重建显微镜)方法。然而,前者利用纳米探针散射物体表面一个波长范围内的倏逝波,极具挑战性;而后者对样品有选择性,只适用于荧光分子样品,且会对样品造成损伤。近年来,平板透镜利用波带片、光子筛以及梯度超构表面等人工微纳结构来控制光的衍射,具有小型化、高数值孔径、大焦深、亚衍射极限聚焦等功能,为远场无标记超分辨率成像提供了一个可行的解决方案。本文从衍射聚焦光学的统一理论出发,总结平面衍射透镜的最新进展,揭示基于光场调控实现纳米聚焦的物理机制,介绍平板衍射透镜的设计原理、光学性能、微纳结构特性和材料影响,详细讨论平板衍射透镜的光学像差(如离轴像差和色差)及其校正,平板衍射透镜在纳米成像、光刻以及光电子能谱仪中的应用,最后展望其未来的发展方向和机遇。     

利用光子隧穿效应实现高Q/V值微腔和光学双稳态

利用光子隧穿效应设计一种高Q/V值小体积微腔.通过传输矩阵的方法研究该结构的光学传输性质.在光子隧穿传输模式下,该微腔具有一系列分离的传输模式,每个传输模式都具有较高的Q值.如果微腔由非线性材料构成,则会出现光学双稳态现象.微腔传输模式的级数越高,光学双稳态的阈值越低.研究结果为光学微腔的设计提供参考.     

近红外可调辐射方向的非线性光学天线

目前研究人员提出了各种光学天线以线性方式控制辐射图,而较大的非线性效应可以引起天线的折射率的变化,从而改变辐射方向图。通过修正电子的有效质量进而完善Drude模型,可得到氧化铟锡(ITO)的非线性折射率与频率和强度的函数关系,进而可知由ITO制成的纳米天线会表现出极大的光学Kerr效应。本文研究了ITO天线的线性和非线性响应。利用ITO的Kerr效应控制天线的辐射方向图。基于该模型,设计了一种非线性光学天线,实现了覆盖近红外波段(1 000~1 650 nm)的可调谐辐射方向图。进一步,基于ITO和介电材料硅(Si)设计了一种杂化的非线性光学天线。该杂化天线可以更好地利用ITO的强Kerr效应,可以较大程度上对光场辐射进行调控。该工作突破了新型非线性材料的强Kerr效应仅局限于特定共振频率点或者零折射率点这一特点。本研究提供一种用于超快动态控制超材料的新颖方法,可应用于光束转向和光学调制等。     

基于群表示论的微波等离激元谐振器模式响应研究

作为光频段局域表面等离激元的低频对应物,人工局域表面等离激元因其深亚波长局域场增强和高Q值谐振的特点而受到广泛关注。微波等离激元谐振器是产生人工局域表面等离激元的典型器件,其特点是具有多重离散旋转对称性和镜面反射对称性。以往的研究提出了等效媒质法和等效色散法分析微波等离激元谐振器的模式响应,但这两种方法都未能充分考虑谐振器的几何对称性从而未能全面揭示其模式特性。本文针对谐振器的几何对称性提出了群表示论方法分析其模式响应。通过对称性分析,发现谐振器的几何对称性所构成的群的不可约表示数等于谐振器所能支持的人工局域表面等离激元模式的数目。以对称性构成C_7v群的谐振器为例,C_7v群的5个不可约表示数对应了5种人工局域表面等离激元模式,分别为零阶模式(也即磁偶极子)、偶极子、四极子、六极子和十四极子。受限于几何对称性,谐振器将不能支持更多阶的模式。为验证群表示论方法,设计了对称性构成C_7v群的微波等离激元谐振器,全波仿真结果很好地证明了上述理论。本文提出的群表示论方法也可推广到其他频段如光频,因而具有广泛的适用性。     

Ag@CH3NH3PbI3等离激元效应增强钙钛矿太阳能电池性能的数值研究

由于银纳米粒子结构的表面等离激元共振特性对有机无机卤化物钙钛矿的新型太阳能电池性能有一定影响,利用comsol mutiphysics多物理场仿真软件对Ag@CH3 NH3 PbI3纳米粒子等离激元效应增强钙钛矿太阳能薄膜电池性能进行研究,对粒子半径和粒子间距对于能量的影响进行了计算;对光敏层能量增强的机理进行了解释;并对电场分布进行了详细说明.依据实验数据,给出优化后的银纳米粒子阵列和钙钛矿光敏层的厚度以及强度,为实验制备高效稳定的钙钛矿太阳能电池提供理论指导.     

薄膜厚度对Ag纳米薄膜结构特性及光学性能的影响

采用密度泛函理论,研究了Ag(111)纳米薄膜的结构稳定性、电子特性及光学性能.结果表明,Ag (111)纳米薄膜原子层厚度增加到13层,即膜厚约为2.8nm时,纳米薄膜表面能趋于稳定,为薄膜能够稳定存在的临界厚度.薄膜表面处原子间为弱离子键作用,层间距变化及表面效应主要集中在表面附近几层.在可见光及红外波段,Ag(111)纳米薄膜的折射率明显高于块体材料而消光系数略高于块体材料;随着薄膜厚度的增加,在该波段,折射率减小,消光系数增加,吸收变大.     

苏州纳米所非层状结构二维单晶纳米片的研究取得进展

<正>中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员靳健课题组提出利用二维限域反应制备大面积金属单晶超薄膜的方法。该方法以一种液晶双分子膜为模板体系,使双分子膜与水形成双分子膜/水层/双分子膜的交替层状有序结构。由于水层的厚度在纳米尺寸,且可以通过改变其质量进行精确调控,从而可以将金属单晶的还原反应控制在水层中发生,制备出几纳米到几十纳米厚度可控的大面积单晶金的超薄膜。课题组与苏州纳米所吴东岷研究员、徐科研究员、厦门大学任斌教授合作进一步研究了单晶超薄金膜的表面等离     

GeS/MoS2异质结电子结构及光学性能的第一性原理研究

以MoS₂、GeS为代表的二维层状材料在光学、电学等方面表现出优异的物理性能。如何将两者的优良性能结合,同时获得具有新的协同功能的复合材料对电子器件的发展和应用具有重要意义。本文采用密度泛函理论的第一性原理计算方法,对GeS/MoS₂异质结的电子结构及光学性质进行了系统研究,并探索了界面间距、应变和电场对异质结电子结构和光学性能的影响。研究结果表明,GeS/MoS₂异质结是Ⅱ型能带排列,该能带排列有利于光生电子-空穴对的分离。进一步研究发现,通过应变和电场等手段可以实现对GeS/MoS₂异质结能带排列及光吸收系数的有效调控。该研究结果表明GeS/MoS₂异质结在光催化、光电器件等领域具有潜在的应用,为设计与制备GeS/MoS₂相关的光电器件提供了理论指导。     

基于纳米压痕测试的激光晶体光学加工性能研究

针对高功率固体激光器中使用的四类重要激光晶体(YAG、LBO、YCOB、KDP)元件,开展了晶体材料的光学加工性能研究.基于纳米压痕测试实验,研究了几种激光晶体材料在激光器实际使用晶向角度下的的表面力学特性差异,获得了载荷、弹性模量、压痕硬度等参数与压痕深度之间的变化规律;利用超景深显微镜及场发射扫描电镜观察了激光晶体表面的纳米压痕形貌,揭示了裂纹形貌随压力载荷的演变规律以及晶体材料力学各向异性现象.以熔石英材料为参照,从力学特性角度横向对比了几种激光晶体材料获得超光滑表面的光学加工难易程度.     

Features of Light Transmission and Stark Effect in a Plasmonic Nanostructure Comprising Organic Semiconductor and Subwavelength Aluminum Grating

Crystallography Reports - Specific features of light transmission and electroabsorption in a plasmonic nanostructure with organic semiconductor (zinc phthalocyanine, ZnPc) and subwavelength...     

Indium phosphide nanofibers prepared by electrospinning method: Synthesis and characterization

Nine sets of (3 × 3) InP nanofiber samples have been successfully prepared at three different voltages (20, 25, 30 kV) and at three separate heights (5, 7, 10 cm) by electrospinning with a constant precursor flow rate of 0.3 mLh⁻¹. The crystalline structure, thermal, morphologies and nanostructure, electrical, and optical properties of the samples are characterized by X‐ray powder diffractometer (XRD) and thermal gravity‐differential scanning calorimeter (TG‐DSC), scanning electron microscopy (SEM), by Four‐Point Probe Technique (FPPT,) and ultraviolet/visible spectrometry (UV/VIS), respectively. From these measurements, we have found the formation of stoichiometric nanostructured InP with zinc‐blende structure and having lattice parameter of a = 5.874 Å, weight loss of 64.59% and crystallization temperature of 500°C, average fiber diameter of 65.82 nm, the activation energies, E_a, of the samples, and band gap energy, E_g, of the nanofibers developed at constant applied voltage 30 kV. The band gap energies determined at different distances 5, 7, and 10 cm are found to be as 1.29, 1.37, and 1.30 eV, respectively.     

Linear and nonlinear optical properties of tris thiourea zinc sulphate single crystals

Optical absorption of tris thiourea zinc sulphate (ZTS) single crystals has been measured and its direct band gap was found to be 3.6 eV. Theoretical calculations were carried out to determine the linear optical constants such as extinction coefficient and refractive index. Further the optical nonlinearties of ZTS have been investigated by Z‐scan technique with He‐Ne laser at 632.8 nm. The nonlinear refractive index, absorption coefficient and third order susceptibility is found to be in the order of –5.36 ± 0.26 × 10^–12 cm²/W, 4.24 ± 0.21 × 10^–4 cm/W, 3.5 ± 0.17 × 10^–4 esu respectively. Thus optical characterization of ZTS reveals the various industrial application oriented properties of the material. (© 2009 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

Inversion of the Temperature Field in Optical Crystals

This article is devoted theoretical and experimental researches of temperature fields which are formed in area semi‐transparent, diffusely transmitting and scattering boundary of two optical environments. It is revealed, that thus can arise non‐monotonic or at certain conditions completely an inverse temperature field. The phenomenon of inversion of a stationary temperature field is revealed theoretically and subsequently is experimentally confirmed. The specific conditions of occurrence of the phenomenon of inversion are determined. During the crystal growth process behind the front of crystallization there can be a congestion of impurities or micro‐bubbles which are grasped by the moving front of crystallization. It results in occurrence diffusely transmitting and scattering boundary on which the radiating thermal flux going from the melt is dissipated in a growing crystal. In turn under the certain conditions it could result in non‐monotonic of temperature field in area of phase boundary and even in full inversion. The experimental equipment was developed and results of experimental measurements which completely confirm theoretical conclusions are given. The described phenomenon could be meet in growing of such optical crystals as sapphire, ruby, fluorides etc. It is specified, that the similar conditions can arise as well on boundary of solid‐gas and liquid‐gas.     

Enhancement of organic thin-film solar cells by incorporating hybrid Au nanospheres and Au nanorods on a metallic grating surface

Abstract

In this study, we demonstrate the fabrication of hybrid plasmonic solar cells using gold nanoparticles (AuNPs). Two types of AuNPs, gold nanospheres (AuNSs) and gold nanorods (AuNRs), were incorporated in a hole transport layer (HTL) (PEDOT:PSS) on a metallic grating electrode. The organic solar cells (OSCs) structure comprised an indium-tin-oxide (ITO)-coated glass substrate/PEDOT:PSS:AuNSs:AuNRs/P3HT:PCBM/Al grating electrode. Adding AuNPs induced localized surface plasmon resonance (LSPR), while grating structured Al at the interface with a photoactive layer excited the propagating surface plasmons. Compared with a flat reference device, the proposed OSCs exhibited improved photovoltaic properties by increasing both the short-circuit current density (J_SC) and the power conversion efficiency (PCE) with large enhancements of 16.23% and 14.06%, respectively. The efficiency improvement was attributed to increased broadband absorption and improved electrical properties inside the thin-film devices.     

钇掺杂多孔结构氧化锌纳米棒的制备与性能研究

采用两步法在二氧化锡掺氟(SnO2:F,FTO)导电玻璃基板上制备出钇(Y)掺杂多孔结构氧化锌(ZnO)纳米棒,首先利用浸渍-提拉法在FTO导电玻璃基板上制备ZnO晶种层,然后利用水热法在ZnO晶种层上生长Y掺杂ZnO纳米棒.研究了不同浓度Y掺杂ZnO纳米棒的晶相结构、微观形貌、化学组成及光学性能.实验结果表明:所制备的Y掺杂ZnO纳米棒为沿c轴择优取向生长的六方纤锌矿结构,随着Y掺杂浓度的增加,ZnO纳米棒(002)衍射峰强度先增大后减小,纳米棒的平均长度由1.3μm增加到2.6μm.ZnO纳米棒的形貌由锥状结构向柱状结构演化,纳米棒侧面的孔洞分布密度增加.所制备的Y掺杂ZnO纳米棒具有一个较弱的紫外发光峰和一个较强的宽可见发光峰.所制备样品的光学带隙随着Y掺杂浓度的增加而减小,其光学带隙在3.29～3.21 eV之间变化.利用Y掺杂ZnO纳米棒作为量子点敏化太阳能电池的光阳极可极大提高太阳电池的光电转换效率.     

Ru、Rh、Pd掺杂GaSb的电子结构和光学性质

运用第一性原理计算方法研究了过渡族金属TM(TM=Ru、Rh、Pd)掺杂GaSb的电子结构和光学性质,结果表明:TM掺杂GaSb主要以TM替代Ga(TM @Ga)缺陷存在,并可增强GaSb半导体材料对红外光区光子的响应,使体系光学吸收谱的吸收边红移;TM@Ga所引入的杂质能级分布于零点费米能级附近,这极大地增强了体系的介电性能,促进了电子-空穴对的产生和迁移,因而提升了掺杂体系的光电转换效率;Ru 掺杂对GaSb光学性质的改善最为明显,当掺杂浓度为6.25%(原子数分数)且均匀掺杂时,Ru掺杂GaSb体系对红外光区光子的吸收幅度最大,有效提升了GaSb光电转换效率和光催化活性。