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。     

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.     

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.     

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.     

十字结构银纳米线的表面等离极化激元分束特性

金属纳米线波导可以将光局域在亚波长尺度内传播, 在纳米光子集成回路方面有着重要的作用. 本文应用有限元方法, 研究了十字结构银纳米线的表面等离极化激元分束特性. 结果表明, 不同模式的表面等离极化激元在十字结构三个分支的输出依赖于端面的几何结构参数. 此外, 研究还发现由于不同模式表面等离极化激元叠加, 在十字结构的分支上出现了周期性电场分布.     

表面等离激元量子信息应用研究进展

近年来表面等离激元得到了越来越多的关注和研究,得益于其能把电磁场束缚在金属-介质界面附近的亚波长尺度范围内.本文回顾了近年来表面等离激元在量子信息领域中的理论和实验研究,包括表面等离激元的基本量子性质、表面等离激元量子回路、在量子尺度下与物质的相互作用及其潜在应用.量子表面等离激元开辟了对表面等离激元基本物理性质研究的新方向,可以应用于高度集成化的量子集成光学回路,同时也可以用来增强光与量子发光体的相互作用.     

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.     

叠层/转角二维原子晶体结构与极化激元的近场光学表征

极化激元是一种光与物质发生强相互作用形成的准粒子,可以极大地压缩光波长,提供一种突破衍射极限的光调制方式,为纳米光子学、非线性光学、量子光学等相关学科的发展提供了重要支持.范德瓦耳斯二维原子晶体是研究极化激元的理想平台,通过叠层、转角可以为极化激元的调控提供额外的自由度,从而展示出新颖的光学结构和极化激元特性.本文以近场光学为主要研究方法,对近几年出现的叠层及转角二维原子晶体的各种光学结构及极化激元进行综述.综述内容包括叠层石墨烯的畴结构、转角二维原子晶体的莫尔超晶格结构、转角二维拓扑极化激元、转角石墨烯手性等离激元等.最后,对叠层/转角二维原子晶体及其极化激元的未来发展进行展望.     

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。     

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。     

量子等离激元光子学在若干方向的最新进展

等离激元光子学是围绕表面等离激元的原理和应用的学科,是纳米光学的重要组成部分.表面等离激元的本质是局域在材料界面纳米尺度内的多电子元激发.这一元激发可以与电磁场强烈耦合,使得我们可以通过纳米尺度结构接收,调控和辐射微米尺度光信息,并由此衍生出等离激元光子学的诸多应用.近年来,随着纳米加工尺度逼近量子极限,等离激元的量子特性受到了广泛关注.量子尺度的等离激元承接电子的波动性和光的粒子性,以其独特的內禀属性,在量子信息、高效光电器件、高灵敏探测等方面表现出十分诱人的前景.本综述重点介绍量子等离激元近年来的发展现状,回顾相关理论的发展以及与等离激元量子特性相关的一些突破性成果.最后对量子等离激元未来的发展进行了展望.     

石墨烯等离激元的光学性质及其应用前景

石墨烯等离激元由于其独特的电学可调性、本征低衰减以及局域光场高度增强等特性, 引起了广泛的关注并迅速成长为一门新的学科分支--石墨烯表面等离激元光子学. 本文介绍了石墨烯等离激元的一些基本性质, 包括色散关系、局域的等离激元和传导的等离激元以及石墨烯等离激元对其周边介电环境的敏感性等. 在此基础上, 进一步介绍了石墨烯等离激元在太赫兹到中红外频段的应用, 比如有源光调制器的一些功能器件和增强的红外光谱探测等.     

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。     

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.     

金膜上亚波长小孔阵列表面等离激元颜色滤波器偏振性质

金属薄膜上制备的表面等离激元颜色滤波器具有很强的颜色可调性. 在200 nm厚的金膜上, 通过聚焦离子束刻蚀, 制备一系列周期逐渐变化的圆形、方形、矩形亚波长尺寸小孔方阵列表面等离激元颜色滤波器, 改变入射光的偏振方向, 观察其超透射滤波现象. 研究发现: 对于矩形小孔阵列, 其透射光颜色随入射光偏振方向的变化而改变; 而对于圆形、方形的小孔阵列, 其透射光颜色对入射光的偏振方向并不敏感. 分析表明, 对于金膜上刻蚀的小孔结构, 虽然结构的周期性导致的表面等离激元极化子会对透射光的颜色变化产生一定影响, 但是随小孔形状变化的局域表面等离激元共振才是影响透射光颜色的决定性因素. 如果入射光没有在小孔中激发出局域表面等离激元, 则表面等离激元极化子对透射光的影响也会消失. 根据不同形状小孔周期结构透射光颜色随入射光的偏振变化特点, 制备出了包含两种小孔形状的复合周期结构. 随着入射光偏振方向的改变, 该结构会显示出不同的颜色图案. 关键词： 表面等离激元极化子 局域表面等离激元 颜色滤波器 亚波长小孔阵列     

单个等离激元纳米颗粒和纳米间隙结构与量子发光体的强耦合

在腔量子电动力学中,如果量子发光体与腔模式的耦合强度超过二者的平均损耗,就进入了强耦合区域,此时会形成部分光部分物质的新量子态—极化激元态.强耦合在室温玻色-爱因斯坦凝聚、极化激元激光、单光子非线性、量子信息等领域有重要的应用价值.基于单个金属纳米颗粒的结构可以支持局域表面等离激元共振,拥有极小的模式体积,非常有利于强耦合现象的发生.本文主要介绍了强耦合的理论背景、单个金属纳米颗粒和纳米间隙结构与量子发光体的强耦合、以及强耦合的动态调控,并展望了该领域的研究前景.     

基于含时密度泛函理论的表面等离激元研究进展

纳米粒子的局域表面等离激元(LSP)由于其新颖的光学特性成为目前国内外研究的热点之一. 本文利用含时密度泛函理论(TDDFT)对金属团簇及石墨烯纳米结构中的等离激元激发及调制的物理本质进行了研究. 和宏观大小的材料相比, 由于纳米结构的尺寸和量子受限效应, 纳米结构的等离激元具有一些不同的特征. 在低能共振区, 光谱线发生展宽, 并且发生劈裂. 由于纳米单体间的电磁耦合作用, 使聚合的纳米结构表现出了与单体不同的光学性质. 这些结果为等离激元的调控提供了坚实的理论指导.     

极化激元系统时间演化的量子涨落特性和非经典统计行为

将极化激元系统约化成模型单模光子-TO声子有效相互作用系统， 在此基础上以解析形式讨论了系统的力学量、压缩态、量子涨落特性以及亚泊松分布等非经典效应的动力学演化行为.结果表明，光子场与极化波量子场彼此交换能量过程随时间演化呈振荡性质，光子场和声子场都可以演化成压缩态，其二阶压缩度随时间演化成复杂周期振荡特性，这种非经典特性是非线性相互作用的结果并且以k₁项和k₂项同时存在并相互关联为前提.而此时光子和声子统计分布随时间演化呈现介于超Poison分布和亚Poison分布之间复杂周期振荡的新结果，非线性作用k₁项和k₂项对这种非经典统计行为都有贡献. 关键词： 极化激元系统动力学演化 单模光场-TO声子有效模型哈密顿量 量子涨落与压缩态 亚泊松分布     

三元混晶四层系统的表面和界面声子极化激元

运用改进的无规元素等位移模型和玻恩-黄近似,结合电磁场的麦克斯韦方程和边界条件,研究了真空/极性二元晶体薄膜/极性三元混晶薄膜/极性二元晶体衬底四层系统的表面和界面声子极化激元.以AlxGa1-xAs/GaAs和ZnxCd1-xSe/ZnSe为例,获得了表面和界面声子极化激元模的色散关系以及表面模和界面模的频率随混晶组分和薄膜厚度的变化关系.结果表明,三元混晶四层异质结系统中存在七支表面和界面声子极化激元模,且这七支表面模和界面模的频率随混晶组分和薄膜厚度呈非线性变化,三元混晶的"单模"和"双模"性也在色散曲线中得到了很好的体现.