原子层厚度超表面光场调控原理及应用

超表面由亚波长尺度二维人工微结构构成,可以实现对光场振幅、相位、偏振等多参量进行调控,为光场调控提供了优良平台.二维材料作为一种新型层状结构材料,相对于三维体材料有着十分独特的光学和电学特性,其与超表面结合为纳米尺度平面光学器件的发展提供了新的可能.本文综述了基于原子层厚度的二维材料超表面发展,介绍了多种二维材料超表面...     

基于二维六方氮化硼材料的光子晶体非对称传输异质结构设计

二维六方氮化硼(hexagonal boron nitride,hBN)材料在产生光学稳定的超亮量子单光子光源领域有着潜在应用,有望用于量子计算和信息处理平台,已成为研究热点.而光学非对称传输设备是集成量子计算芯片中的关键器件之一.本文从理论上提出了一种基于hBN材料光子晶体异质结构的纳米光子学非对称光传输器件.运用平...     

具有禁带展宽特性的一维光子晶体

提出了介质的光学厚度系数成圆形分布的一维光子晶体结构,与周期结构的光子晶体相比,该结构具有禁带展宽特性.同时讨论了起止膜层及膜层的光学厚度对该结构禁带特性的影响,优化出了在所选材料的介电常数所允许的频率范围内,具有完全禁带特征的光子晶体结构.     

原子厚度的二维亚波长超透镜

超透镜（Metalens）是结合了超表面原理和超薄平板光学原理制作的一类自身尺度在亚波长范围内,能够对光波前进行重塑的新兴人工光学器件。二维范德华材料的出现为超透镜光学器件提供了丰富的材料选择以及功能调控方面的可能。以石墨烯、过渡族金属硫族化合物等为典型代表的二维材料归功于其层间相对较弱的范德华相互作用,可通过机械剥离、化学气相沉积等方法获得原子层厚度平整的单晶,天然满足超透镜材料厚度尺寸要求,其自身以及溶于溶剂形成的二维液晶材料均具有优异的电学、光学、机械、磁性等丰富的物理特性,且性能高度可调控,使得基于二维材料的超透镜除能满足传统透镜的特性功能外,还有望通过包括静电调控等方式得到具有可调控的新奇物理特性。因此,对基于二维材料的超透镜的发展现状进行总结,并结合其材料结构特性进行相关的展望对该行业的发展是十分迫切的。本综述主要围绕二维材料超透镜展开,概述了该类透镜的研究进展,包括二维层状材料以及二维液晶材料、二维材料超透镜的潜在应用前景,以及对二维超透镜这一新兴研究领域未来的发展方向进行了适当的总结与展望。     

光子晶体制备技术和应用研究进展

从光子晶体概念的提出到现在已经过了20余年,光子晶体不仅成为微纳光子学和量子光学的重要研究领域,而且在信息光学以及其他多个学科中得到广泛应用.本文重点综述了光子晶体的制备工艺,尤其是二维光子晶体和三维光子晶体的制备工艺进展,同时也综述了光子晶体的应用研究的进展,在此基础上,提出了一些光子晶体研究的展望.     

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     

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.     

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.     

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.     

单光子源及在量子信息领域的应用

光量子比特是量子计算和量子通信的理想候选体系之一。高效率、高品质、确定性的单光子源是实现光学量子计算和绝对安全量子通信的重要前提条件。自组装半导体量子点,又称“人造原子”,具有优良的单光子性和光子全同性,是理想的单光子源。此外,量子点可以通过外加电场,囚禁单个原子或空穴,作为光子-自旋比特的界面,构建可扩展光量子网络。微柱腔耦合的量子点,拥有很强的Purcell效应,在保持单光子性和光子全同性的同时,大大地提高了提取效率,且具有很好的相干性,可用于大规模量子计算。近年来,人们在二维单原子层材料中发现了非经典的单光子发射,使二维材料和量子光学领域得到了结合,开辟了新的研究路线：探索单原子层材料在量子技术的潜在应用。和传统固态单光子源系统相比,二维材料更易于与其他光电平台结合,可人为控制缺陷位置,有利于推动高品质、低成本单光子源的发展,得到了科学家的广泛关注。本报告首先从量子计算和量子通信两方面提出发展单光子源的意义,接着介绍单光子源的性质和产生原理,然后介绍单光子源在自组装半导体量子点和二维单原子层材料中的实现和发展,最后从光子-自旋量子隐形传态和玻色采样实验中讨论单光子源在量子计算和量子网络方面的应用前景。     

一维光子晶体的有效折射率

本文针对有限周期的一维光子晶体引入了有效折射率的概念.利用传输矩阵的方法计算了光子晶体的复透射系数,在此基础上进一步得到了有效折射率的解析表达式.考虑到光子晶体的特殊空间结构及其存在光子禁带的特性,进而探讨了光子晶体带隙结构的特征及其有效折射率与光子晶体单层材料的折射率、光学厚度、物理厚度和中心波长的关系.研究发现组成单层材料的两种介质的折射率的比值和单层材料的物理厚度影响有效折射率的振荡幅度,单层材料的光学厚度影响有效折射率的振荡周期.中心波长对有效折射率无影响.     

金属纳米颗粒与二维材料异质结构的界面调控和物理性质

二维材料具有原子级光滑表面、纳米级厚度和超高的比表面积,是研究金属纳米颗粒与二维材料的界面相互作用,实时、原位观察金属纳米颗粒的表面原子迁移、结构演化和聚合等热力学行为的重要载体.设计和构筑金属纳米颗粒与二维材料异质结构界面,在原子尺度分析和表征界面结构,揭示材料结构和性能之间的相互关系,对于理解其相互作用和优化器件性能具有重要价值.本文总结了近年来金属纳米颗粒在二维材料表面成核、生长、结构演化及其表征的最新进展,分析了金属纳米颗粒对二维材料晶体结构、电子态、能带结构的影响,探讨了可能的界面应变、界面反应,及其对电学和光学等性质的调控,讨论了金属纳米颗粒对基于二维材料的场效应管器件和光电器件的性能提升策略.为从原子、电子层次揭示微结构、界面原子构型等影响金属纳米颗粒-二维材料异质结性能的物理机制,为金属-二维材料异质结构的研制及其在电子器件、光电器件、能源器件等领域的应用奠定了基础.     

二维材料及其范德瓦尔斯异质结的高压响应研究进展

高压技术是一种高效、连续、可逆的调控材料结构、电学、光学等物理特性的手段,因此利用压强工程在材料中实现超导态、制备超硬材料等成为高压领域的研究热点。不同于传统的三维体相材料,二维材料及其异质结中独特的层间耦合作用使其具有许多不同于传统材料的物理特性,且这些物理特性极易受到外场影响和调控,使得高压物理成功地拓展到低维材料领域。本文以石墨烯、黑磷、六方氮化硼和过渡金属二硫族化合物等几种典型的二维材料及其异质结为例,概述了二维材料及异质结在高压调控下的结构、电学、声子动力学、光学等方面的响应,并简要讨论这些高压调控下的二维材料在未来电子、光电器件等领域应用的潜力。     

大面积二维磁性材料的制备及居里温度调控

当前,尽管集成电路制造工艺水平不断提高,但受到量子效应的限制,器件尺寸的缩小使业界遇到了可靠性低、功耗大等瓶颈,微电子行业延续了近50年的"摩尔定律"将难以持续.2004年二维材料—石墨烯的问世,为突破集成电路的功耗瓶颈带来了新的机遇.由于低维特性,二维材料在一层或者几层原子厚度中表现出丰富多样的电学、磁学、力学和光学...     

二维过渡金属硫化物二次谐波:材料表征、信号调控及增强

二维过渡金属硫化物(transition metal dichalcogenides, TMDCs)由于可实现从间接带隙到直接带隙半导体的转变,能带宽度涵盖可见光到红外波段,及二维限域所带来的优异光电特性,在集成光子以及光电器件领域受到了广泛的关注.最近随着二维材料基础非线性光学研究的深入,二维TMDCs也展现出了在非线性光学器件应用上的巨大潜能.本综述聚焦于二维层状TMDCs中关于二次谐波的研究工作.首先简述一些基本的非线性光学定则,然后讨论二维TMDCs中原子层数、偏振、激子共振、能谷等相关的二次谐波特性.之后将回顾这些材料二次谐波信号的调制及增强工作,讨论外加电场、应变、表面等离激元结构、纳米微腔等方法和手段的影响机理.最后进行总结和对未来本领域工作的展望.理解二维TMDCs二次谐波的产生机制及材料自身结构与外场调控机理,将对未来超薄的二维非线性光学器件的发展产生深远的意义.     

二维材料外延生长的原子尺度机理:特性与共性

自首次从石墨中剥离出石墨烯以来,只有原子级厚度的层状(或二维)材料因其丰富奇特的物性占据着当今凝聚态物理和材料科学的中心舞台。不断扩大的二维材料家族,包括石墨烯、硅烯、磷烯、硼烯、六方氮化硼、过渡金属二硫族化合物、甚至强拓扑绝缘体等,不仅每个成员有其鲜明的个性,如独特的物性与制备方法,而且整个大家族又有其共性,如单层材料与衬底之间、层与层之间几乎都是依赖弱的范德瓦尔斯力耦合在一起。对任一个二维家族成员的深层理解,都可能对真正走进这一大家族有普适性价值。文章首先介绍范德瓦尔斯层状材料非平衡外延生长中常常遇到的主要原子过程和相应的形貌演化;进一步讨论范德瓦尔斯相互作用在二维材料横向或垂直堆叠的异质结中的重要性。在原子尺度的生长机理之外,也围绕二维材料的物性优化与功能化简要介绍一些最新进展,具体例子覆盖光学、电学、自旋电子学、催化等领域。     

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.     

二维半导体材料中激子对介电屏蔽效应的探测及其应用

二维过渡金属硫族化合物作为二维半导体材料领域研究的重要分支,凭借较强的光-物质相互作用和独特的自旋-谷锁定等特性,吸引了广泛而持久的关注.单层的二维过渡金属硫族化合物半导体具有直接带隙,在二维的极限下,由于介电屏蔽效应的减弱,电荷间的库仑相互作用得到了显著的增强,其光学性质主要由紧密束缚的电子-空穴对—激子主导.本文简单回顾了近年来二维过渡金属硫族化合物光谱学的研究历程,阐述了栅压和介电环境对激子的调制作用,之后重点介绍了一种新颖的激子探测方法.由于激发态激子(里德伯态)的玻尔半径远大于单原子层本身的厚度,电子-空穴对之间的电场线得以延伸到自身之外的其他材料中.这使得二维半导体材料的激子可以作为一种高效的量子探测器,感知周围材料中与介电函数相关的物理性质的变化.本文列举了单层WSe₂激子在探测石墨烯-氮化硼莫尔(moiré)超晶格势场引发的石墨烯二阶狄拉克点,以及WS₂/WSe₂莫尔超晶格中分数填充的关联绝缘态中的应用.最后,本文展望了这种无损便捷、高空间分辨率、宽适用范围的激子探测方法在其他领域的潜在应用场景.     

二维冰相I的电子和光学性质

二维冰是典型的原子制造技术获得的新型原子级材料,其结构和成核生长在材料科学、摩擦学、生物学、大气科学和行星科学等众多领域具有至关重要的作用.虽然二维冰的结构性质已被广泛研究,但对其电学和光学性质知之甚少.本文通过密度泛函理论和线性响应理论计算了二维冰相I在零温时的主要电学、光学、介电性质和红外光谱.其次,利用从头算分子动力学方法模拟得到了二维冰相I在有限温度下的声子振动态密度.本文的结果揭示了原子级二维冰相I的电子结构,同时展示了其独特的光吸收机理,有助于二维冰相I的进一步实验表征和原子级操控.由于表面上的二维冰可以促进或抑制三维冰的形成,这对于设计和研发防结冰材料具有潜在的应用价值.此外,二维冰本身也可以作为一种特殊的二维材料,为高温超导电性、深紫外探测、冷冻电镜成像等研究提供全新的标准材料.     

二维硅基平板光子晶体器件

硅材料在红外通讯波段具有低损耗和高折射率的特性,使得其成为集成光学领域中应用最广的材料之一.主要介绍了本课题组在二维硅基平板光子晶体中实现微纳尺度上光调控的研究进展,讨论了利用光子晶体的缺陷态实现各种集成光学器件,包括光子晶体波导、微腔和利用光子晶体波导和微腔形成的滤波器.还介绍了光子晶体中特殊的光折射现象,包括红外波...