高偏压金属─绝缘体─金属结的光发射

我们制作了一种可在6-11V偏压范围内均匀发射可见光的新型金属-绝缘体-金属结型发光器件,其内层结构是Al-Al₂O₃-MgF₂-An(Cu),其承受偏压、单位面积发光功率及相应的外量子效应高过迄今已知的M-O-M遂道结型发光器件.本文首次报导并论证了这一由Schottky热电子所激发的光发射及其物理图象:Schottky热电子在AO(Cu)-真空界面激发表面等离极化激元(SPP);Au(Cu)-真空界面的SPP通过表面粗糙度与外光子耦合.这一图象与该器件的电流-电压(I-V)、电流-温度(I-T)关系及其发射光谱的主要特征一致.     

增强金属-氧化物-金属隧道结的光发射

本文报道通过改进制作工艺将A1-A12O3-Au隧道结的耐压增加到5.3V,发光外量子效率增加到8.2×10-4,均高过迄今见到的关于该类结的最高耐压和最高效率的报道。我们观测到了该发光结上的Au膜厚度对发射光谱形状的影响,并对此作出了解释;还对该光谱中的截止频率和峰值的存在给出了理论解释。     

内嵌矩形腔楔形金属狭缝的增强透射

金属薄膜上亚波长金属狭缝的非共振光增强透射对宽频带光子器件的设计具有重要意义. 为增强金属狭缝的光透射, 设计了内嵌矩形腔楔形金属狭缝阵列, 并用有限元方法研究了该结构的透射特性. 结果表明, 内嵌矩形腔的楔形金属狭缝阵列比无矩形腔的楔形金属狭缝阵列透射率高. 此外, 还研究了矩形腔的结构参数和位置对内嵌矩形腔楔形金属狭缝阵列透射特性的影响. 这些结果将对设计具有更高透射能力的金属狭缝具有一定的指导意义. 关键词： 光异常透射 金属狭缝 表面等离极化激元     

金薄膜衬底上介质-金属核壳结构的光学力调控

采用时域有限差分法和麦克斯韦应力张量法,系统研究了金薄膜衬底上介质-金属核壳结构所受的光学力.研究结果表明:由于核壳结构与衬底之间强的等离激元模式杂化效应,其所受的光学力相较于单个核壳结构实现了一个数量级的增强;同时,通过改变激发波长,实现了局域电场分布的调控,以此观察到了核壳结构光学力方向的可控反转;进一步,详细分析了核壳结构所受光学力随其到衬底间距、内核介质的尺寸及折射率等的变化关系,以此丰富了光学力大小、方向和峰值波长的调控方法.研究结果可为精确控制颗粒/金属薄膜纳米腔的尺寸提供一种新的途径,并为调控单分子级的光与物质相互作用、研发新型纳米光子器件提供有益参考.     

基于十字连通形环形谐振腔金属-介质-金属波导的折射率传感器和滤波器

提出了由十字连通形环形谐振腔耦合两个金属-介质-金属(metal-insulator-metal, MIM)波导的结构,并用有限元法数值研究了表面等离极化激元在结构中的传输特性.通过对透射谱的研究,系统地分析了MIM结构的传感特性.结果表明,在透射光谱中有三个共振峰,即存在三种共振模式,其中透射峰与材料的折射率呈线性关系.通过对结构参数的优化,得到了折射率灵敏度(S)高达1500 nm/RIU的理论值,相应的传感分辨率为1.33×10~(-4)RIU.更重要的是,灵敏度不受结构参数变化的影响,这意味着传感器的灵敏度不受制造偏差的影响.此外,谐振波长与环形腔中心半径成线性关系,该器件在较大波长范围内实现可调谐带通滤波.透射强度随着波导与环形腔间距的增大而减小,透射带宽同时减小,因此,可以通过控制环形腔与波导的耦合距离来调谐透射强度及透射带宽.研究结果对高灵敏度纳米级折射率传感器和带通滤波器的设计以及在生物传感器方面的应用都具有一定的指导意义.     

金属-绝缘体-半导体(Au-SiO2-Si)隧道结的负阻现象与发光特性

制备了Au-SiO_{2-Si结构MIS隧道发光结.测试并分析了该结的发光特性及电流-电压(I-V)特性.指出结的发光是由各膜层界面激发的表面等离极化激元(Surface Plasmon Polariton.SPP)与膜层表面粗糙度相互耦合的结果.观察到MIS结I-V特性中存在的负阻现象,采用SPP对电子的束缚模型对这一现象进行了初步分析.利用原子力显微镜(AFM)对结的表面形貌进行了观测,由此讨论了MIS隧道结的发光与电子在结内的隧穿输运特性之间的内在关系. 关键词：}     

光子角动量在环形金属纳米孔异常透射过程中的作用

在环形凹槽包围环形金属纳米孔的异常透射器件的研究中,环形凹槽可以将携带光子角动量的入射光转化为涡旋表面等离极化激元,这些涡旋表面等离极化激元传向几何中心并与直接照射在环形纳米孔上的光子发生干涉,当相互干涉的光子满足相位匹配条件时,环形纳米孔的透射率得到显著增强.本文利用理论分析和数值计算的方法研究了光子角动量和凹槽半径对环形纳米孔透射过程的影响.我们发现调节环形凹槽的半径和入射光携带的光子角动量可以调节光子在金膜上表面传输时的径向传播相位,进而影响了环形纳米孔附近的干涉电场强度,最终决定了环形纳米孔的透射率,进而可以通过调节凹槽的半径来调节携带不同光子角动量的光束在环形纳米孔的透射率.本文的研究结果对基于涡旋表面等离极化激元的异常透射器件的设计具有重要的指导意义.     

二维亚波长金属小孔阵列的透射光增强效应

对金属薄膜上的二维亚波长小孔阵列的光透射增强现象进行了数值模拟，结果显示不仅实际金属薄膜上的小孔阵列结构具有透射增强效应，理想导体薄膜的相同结构也具有透射增强效应，但没有实际金属薄膜的增强明显-通过分析指出，这种小孔阵列的光透射增强效应是一种复杂的波导耦合效应-与金属薄膜上的表面电流一样，表面等离激元波具有将入射光能量从金属表面向小孔转移的作用，但不是透射增强的本质原因- 关键词： 表面电流 共振耦合 透射增强 表面等离激元     

金属纳米颗粒二聚体阵列的消光截面

相比单粒子阵列,金属纳米颗粒的二聚体阵列的共振效应受更多因素的影响,包括阵列的组成方式、二聚体的结构和朝向、粒子的形状、大小等,因此具有更好的可调性.本文基于修正长波近似法,通过引入两种粒子之间的阵列因子矩阵,修正了两种粒子的极化率,从而得到了二聚体阵列的消光截面的解析公式.在此基础上,讨论了整个阵列在不同偏振光激发下...     

金属纳米颗粒双圆环阵列的表面格点共振效应

由金属纳米粒子构成的周期性规则阵列,可以通过粒子间的耦合来激发表面格点共振效应,从而极大压缩单粒子的局域表面等离子体共振效应的线宽.本文将该表面格点共振效应从二维周期性结构推广到轴对称的圆环结构中,提出了双圆环金属纳米粒子阵列结构的电磁响应模型.在此基础上,得到了双圆环阵列发生表面格点共振效应的条件,并发现当阵列结构参数满足特定条件时,该阵列的所有偶极子分量会发生集体共振效应,从而获得极高的近场增强因子.     

基于等离激元法布里-珀罗腔折射率测量的实验设计

利用自下而上的纳米加工工艺,制备了一种由银纳米线对和金膜构成的等离激元法布里珀罗(F-P)腔。暗场散射光谱和数值模拟表明,金膜表面传输的表面等离激元经银纳米线对的多次反射下,会在腔内形成驻波现象,并在散射光谱中呈现出多光束干涉调制的光谱线型。利用这一原理设计一个折射率测量实验,通过测量不同浓度甘油溶液的折射率,得到了F-P腔共振波长随溶液折射率增大的线性红移规律。进而通过调谐F-P腔的长度,得到该F-P腔最高的探测灵敏度为555 nm/RIU。     

金属-光折变材料复合全息结构对表面等离激元的波前调控

表面等离激元(surface plasmon polaritons, SPPs)控制具有重要意义.表面电磁波全息法是在金属表面设计能有效控制SPP传输的凹槽阵列结构.本文提出一种新的SPP传输的控制方法,利用金属-光折变材料复合全息结构控制SPP传播.在金属表面覆盖一层光折变材料,两束SPP波在光折变材料内干涉生成全息结构,利用此全息结构能够控制SPP的传播.通过时域有限差分法模拟验证,结果显示,通过金属-光折变材料复合全息结构可以有效地控制SPP波束的传输,实现SPP平面波束的单点聚焦、两点聚焦,以及生成零阶和一阶高斯SPP波束.经过优化发现,光折变材料的最佳厚度为3.3μm,最佳折射率调制度为0.06.现有SPP控制器件主要是通过离子束刻蚀,而金属-光折变材料复合全息结构不需要刻蚀,从而扩展了SPP控制的器件的制作方法,为SPPs的全光控制提供了新的思路,使SPP全光控制成为可能,进一步实现了SPP全光开关等功能.     

金属微结构纳米线中等离激元传播和分光特性

本文从理论和实验两方面探讨了具有微结构的金属纳米线系统中表面等离激元传播规律和分光特性. 我们由麦克斯韦方程组出发, 利用严格耦合波近似和有限元差分等方法首先从理论上给出了金属纳米线系统中等离激元的色散关系和能带特征, 然后基于微结构的银纳米线及其等离激元能带结构, 设计并制备出等离激元分光原型器件, 实验展示其将不同频率的光在微小空间分离的特性. 该研究结果是我们前期相关工作的延续和补充, 可应用于构造多功能集成的光子芯片和新型亚波长光电材料和器件.     

金属-绝缘体-金属结构的表面等离激元受激放大辐射放大器的研制

为了研究用于表面等离子(SP)波的可集成表面等离激元受激放大辐射(SPASER)放大器,设计了植入饱和吸收体的金属-绝缘体-金属(MIM)结构放大器的基本组成。根据SPASER的基本原理,对激射条件进行了分析,给出了放大器的制作工艺和抽运脉冲的设计以及性能指标。结果表明研制的放大器在选择566nm波长的入射光和532nm波长的抽运光,放大区采用长度范围为1～1.5μm的条件下,其脉冲响应时间可达100fs,带宽为1.5～2THz,SP的放大增益为30～60dB。该SPASER放大器研究将为大规模集成光子学芯片设计提供理论和技术基础,可在下一代高速通信系统中得到广泛应用。     

基于圆弧谐振腔的金属-介质-金属波导滤波器的数值研究

设计了一个基于圆弧谐振腔的金属-介质-金属波导滤波器, 并应用时域有限差分算法数值研究了它的传播特性. 结果发现, 在透射光谱中出现了明显的透射峰. 分析表明, 该透射峰是由表面等离极化激元在圆弧腔中的谐振所导致. 我们还研究了圆弧谐振腔的结构参数及其弯曲方向对其传播特性的影响. 此外, 该结构还可以用作一种光分路器, 实现滤波与分路的双重功能.     

一维金属光栅的光学反射吸收

利用RCWA(rigid coupled-wave analysis)方法研究了一维金属光栅的反射特性,考察了 瑞利反常、表面等离激元驻波共振和几何共振三种共振吸收机理,分析了这三种机理的相互作用,如表面等离激元驻波共振和几何共振可以形成混合模式. 在反射式复合金属光栅中,确认了第四种共振形式,即相位共振. 数值计算表明相位共振对光学吸收的影响有两种形式: 当光栅周期大于一个波长时,相位共振导致尖锐的吸收峰,峰位在几何共振吸收峰一侧;当光栅周期小于一个波长时,相位共振导致混合模式的共振吸收峰发生劈裂. 对一维金属光栅反射特性的研究增加了对金属光栅共振吸收模式及其相互作用的认识. 关键词： 一维金属光栅 瑞利反常 表面等离激元 相位共振     

基于一种易于制作的混合型表面等离激元波导结构的超紧凑截线滤波器

提出并分析了一种结构紧凑的截线型滤波器。该滤波器建立在一种硅基混合型表面等离激元波导结构上。与通常的混合等离激元结构相比,该波导结构在制作时只需对顶部的一层硅材料进行刻蚀,不需在光刻步骤进行对准和套刻,工艺简单易行。该截线滤波器由一截突柱波导与直波导耦合组成,并采用三维时域有限差分方法对其频谱响应进行模拟计算。计算结果表明该滤波器与现有文献中的二维金属-绝缘体-金属波导截线滤波器具有类似的频谱特性。另外,还进一步分析了截线部分及波导自身尺寸对器件输出频谱的影响。     

基于金属-电介质-金属波导结构的等离子体滤波器的数值研究

基于金属-电介质-金属波导结构, 提出了一种含双侧多支节型等离子波导滤波器, 采用有限元法研究了其透射特性. 在该结构的透射谱中观察到了基于电磁诱导透明效应的四个窄带透射峰, 并通过模场分布有效阐释了透射谱线中峰值、谷值的产生的物理机理. 数值研究同时表明当每个支节长度线性增加时, 透射峰中心波长也将线性增加. 这一结果可用于指导可调谐、多通道窄带滤波器的设计.     

一维金属光栅嵌入磁性介质纳米结构下的横向磁光克尔效应的增强

本文在一维金属光栅嵌入磁性介质的体系中实现了横向磁光克尔效应的增强.通过最优化金属光栅的嵌入深度来有效激发磁性介质中的波导模式与金属条带上的局域等离激元模式,从而使横向磁光克尔效应的响应得到巨大增强.本文提出了一种用于增强横向磁光克尔效应的新型等离激元微纳结构,这种结构可以应用于高性能磁光器件的设计.     

基于银纳米颗粒等离激元共振和耦合效应的彩色透明显示屏北大核心CSCD

提出一种基于银纳米颗粒等离激元共振和耦合效应的彩色透明显示屏。对银颗粒优化设计,说明在红、绿、蓝三波段能够出现三个散射峰,可用于增强彩色显示性能;接下来,通过溶液热法制备出该屏幕;经投影仪对屏投影测试发现确实具有彩色、高透、高亮和宽视角。另外,研究发现在等离激元共振及耦合作用下,银颗粒在红、绿、蓝三个共振位置均具有偶极子的远场散射形貌,充分解释了显示屏高亮和宽视角的原因。提出的透明显示屏具有透明度和亮度高、观察视角宽、制备工艺简单、成本低等特点,在透明显示领域将有大的应用潜力。