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.     

基于磁激元效应的石墨烯-金属纳米结构近红外吸收研究

石墨烯作为一种单层碳原子二维材料,在可见光和近红外波段吸收率只有2.3%左右,这限制了石墨烯在光电探测、光电调制等领域的应用.本文基于纳米超材料结构的磁激元共振效应,设计了一种金属-绝缘层-金属-石墨烯混合二维浅光栅结构,通过设计混合二维浅光栅结构尺寸来改变石墨烯化学势,实现了石墨烯在近红外波段的吸收增强和调制.利用有限元仿真和等效电路模型,系统地分析了非正入射、结构参数和石墨烯化学势对吸收特性的影响.研究结果表明,混合二维浅光栅结构的磁激元共振效应可以明显提升石墨烯在近红外波段的吸收率,并且对入射角度和极化方向不敏感.在特定结构参数下,混合二维浅光栅结构在1480nm处吸收率达到了85%,其中石墨烯的吸收率为55%,提升了24倍;通过调控石墨烯化学势从0.1eV增大到1.0eV,分别实现了不同结构尺寸下54.8%,50.3%,46.8%的反射率调制深度.     

利用窄刻槽金属光栅实现石墨烯双通道吸收增强

构建基底/窄刻槽金属光栅/覆盖层/石墨烯结构,利用金属光栅激发的表面等离子体激元共振和窄光栅刻槽支持的法布里-珀罗共振,在可见光波段实现单层石墨烯的双通道吸收增强,并结合简化模型估算出双吸收通道所在位置.在波长462和768 nm处,石墨烯的光吸收效率分别为35.6%和40.1%,相比石墨烯本征光吸收率的增强均超过15.5倍.进一步研究发现由于短波处吸收增强源于金属光栅的表面等离子体激元共振,其吸收特性受覆盖层厚度、刻槽深度和宽度变化的影响较小;而由于长波处吸收增强源于窄刻槽中的法布里-珀罗共振,因此呈现出良好的角度不敏感吸收特性.     

基于金属-介质纳米结构磁激元效应的石墨烯增强吸收研究

石墨烯作为一种单层碳原子厚度的二维材料,其在可见光和近红外波段的吸收率只有2.3%。这大大限制了其在太阳能电池、光电探测等领域的应用。本文提出一种金属-介质组成的周期纳米结构,利用纳米结构中激发的磁激元共振(Magentic Polaritons,"MP")效应,实现了石墨烯在近红外波段的吸收增强。利用有限元法的理论仿真,系统研究了纳米结构参数对石墨烯吸收特性的影响。结果表明,在特定结构参数下,能使石墨烯的吸收率增大16倍左右。利用Inductor-Capacitor(LC)电路模型成功解释了石墨烯的吸收增强的物理机制,预测了复合系统的磁激元共振峰波长,发现石墨烯的存在不影响磁激元共振峰的位置。文中提出的纳米结构在加工上易于实现,研究结果将在基于石墨烯的新型光电子器件的设计和实现方面有潜在应用价值。     

基于导模共振效应提高石墨烯表面等离子体的局域特性

本文构建了一种包含石墨烯和亚波长光栅的复合结构, 借助衍射光栅的导模共振效应, 在石墨烯表面激发高局域性表面等离子体激元, 研究了石墨烯与光栅结构对表面等离子体激元局域特性的影响规律, 并借助基于有限元法的COMSOL软件, 分析了缓冲层厚度、光栅周期、载流子迁移率和费米能级对石墨烯的表面电场、品质因子Q和有效模式面积S_eff的影响. 结果表明, 石墨烯表面等离子体激元的局域性在特定的参数点获得显著提高: 当μ = 0.7 m²/(V·s)时, 品质因子达到最大值Q_max = 1793; 当p = 235 nm或E_F = 0.72 eV时, 表面电场达到了入射光的3000倍以上. 强烈的局域性导致强烈 的光-物质相互作用, 因而本文提出的复合结构可实现高灵敏度传感器和高效率的非线性光学设备, 极大地扩展了石墨烯在纳米光学领域中的应用.     

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.     

光学薄膜塔姆态诱导石墨烯近红外光吸收增强

提出了一种增强石墨烯光吸收率的布拉格光栅/石墨烯/金属薄膜光学结构。运用传输矩阵和时域有限差分法研究了其光传输特性,发现布拉格光栅与金属薄膜之间形成的塔姆等离激元局域场可有效增强光与石墨烯的相互作用,单层石墨烯的近红外光吸收率约增大了36倍。探讨了布拉格光栅的周期、石墨烯位置、入射角度、布拉格光栅层厚度及石墨烯化学势与石墨烯光吸收的关系。研究结果表明,上述物理参数的变化可有效调控石墨烯的光吸收波长及效率。研究结果为高性能石墨烯探测器等新型光电子器件的实现提供了新的途径。     

一种石墨烯波导褶皱激发表面等离子体激元的设计

设计了褶皱石墨烯波导结构激发表面等离子体激元,通过设计周期阵列结构实现了表面等离子体激元传播损耗的补偿.理论分析了周期阵列结构的表面等离子体激元传播模型和补偿损耗的方式,结果表明褶皱衍射激发表面等离子体激元波导不仅能够激发表面等离子体激元,还能利用表面等离子体激元波矢关系实现器件参数控制,周期阵列增益全程补偿损耗的方式可以显著增加表面等离子体激元的传播距离.数值分析结果进一步表明:该结构具备了保持亚波长尺寸的强局域化优势;周期阵列增益全程补偿可以显著提高纳米腔中的电场强度,降低传输损耗;波导结构的粒子反转水平较高,自发辐射噪声的扰动较低.设计的石墨烯波导器件可以为微纳光学集成、光子传感和测量等领域提供理想的亚波长光子器件.     

一种石墨烯波导褶皱激发表面等离子体激元的设计（英文）

设计了褶皱石墨烯波导结构激发表面等离子体激元,通过设计周期阵列结构实现了表面等离子体激元传播损耗的补偿.理论分析了周期阵列结构的表面等离子体激元传播模型和补偿损耗的方式,结果表明褶皱衍射激发表面等离子体激元波导不仅能够激发表面等离子体激元,还能利用表面等离子体激元波矢关系实现器件参数控制,周期阵列增益全程补偿损耗的方式可以显著增加表面等离子体激元的传播距离.数值分析结果进一步表明:该结构具备了保持亚波长尺寸的强局域化优势;周期阵列增益全程补偿可以显著提高纳米腔中的电场强度,降低传输损耗;波导结构的粒子反转水平较高,自发辐射噪声的扰动较低.设计的石墨烯波导器件可以为微纳光学集成、光子传感和测量等领域提供理想的亚波长光子器件.     

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。     

石墨烯覆盖铝纳米光栅表面等离激元共振光谱及传感特性

表面等离激元共振技术具有无需标记、灵敏度高、实时检测等优点,已广泛应用于生物医疗、环境监测及食品安全等领域。相对于传统贵金属材料表面等离激元共振传感器而言,铝表面等离激元共振传感器具有价格低廉、共振光谱带宽小等优点,已逐渐成为了该领域的研究热点。针对铝材料存在与生物分子兼容性差、易氧化等缺点,利用石墨烯化学稳定性好、比表面积大、抗氧化能力强、生物兼容性好等独特优势,将其作为与被测分子直接接触的传感层,提出了一种石墨烯覆盖铝纳米光栅的表面等离激元共振传感器。首先,基于多物理场有限元仿真软件建立了该传感器的物理模型,分别分析了石墨烯层数和铝光栅结构参数(占空比、高度、周期)对传感器共振光谱的影响。结果表明,石墨烯与铝光栅的复合有效增强了入射光波与传感器的相互作用,采用单层石墨烯与铝光栅复合时,共振峰具有最窄的光谱带宽。当铝纳米光栅结构Λ=600 nm,H=40 nm,η=70%时,光谱反射率为零。进一步分析了结构优化后的传感器的传感特性。结果表明,单层石墨烯覆盖铝纳米光栅传感器具有最高的品质因数24.5 RIU-1,其灵敏度高达626 nm·RIU-1。该传感器具有探测精度高、分子兼容性好等优点,能为生化分析、环境监测和食品安全等领域提供一个新的绿色传感平台。     

银-光子晶体-银结构中两Tamm等离子体极化激元的耦合

利用传输矩阵研究了银-光子晶体-银结构中两Tamm等离子体极化激元(TPPs)的耦合态。我们的数值结果表明当光子晶体的周期数n10时,存在两本征波长相同的非耦合Tamm等离子体极化激元(非耦合TPPs),当n≤10时,两非耦合Tamm等离子体极化激元发生耦合,劈裂成两本征波长不同的耦合Tamm等离子体极化激元。随着n的减小,两耦合Tamm等离子体极化激元(耦合TPPs)间的劈裂能量增大,当n=3时,劈裂能量达到287.5meV。从银-光子晶体-银结构中的实时电场分布可以得到:本征波长较长的耦合TPP由两非耦合TPPs对称耦合产生,而本征波长较短的耦合TPP由两非耦合TPPs反对称耦合产生。     

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.     

氮掺杂石墨烯纳米结构的等离激元激发（英文）

基于含时密度泛函理论,研究了氮掺杂石墨烯纳米结构的等离激元特性。吡啶型氮掺杂不影响石墨烯纳米结构的等离激元激发特性,而取代型氮掺杂主要基于石墨烯纳米结构对称性的改变和体系中电子密度的增加来影响石墨烯纳米结构的等离激元共振。相对于纯六角石墨烯纳米结构,在低能共振区,取代型氮掺杂六角石墨烯纳米结构的等离激元共振能量发生了红移。相对于纯矩形石墨烯纳米结构,在低能共振区,取代型氮掺杂矩形石墨烯纳米结构沿扶手椅型边界方向激发时,其等离激元共振能量发生了蓝移;沿Z字型边界激发时,其主要的等离激元共振模式受掺杂氮的影响较小。     

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.     

利用石墨烯等离激元与表面声子耦合增强量子摩擦

详细研究了以Si C为基底的石墨烯之间量子摩擦.由于Si C可以支持表面声子极化子,石墨烯可以支持表面等离激元,在一定的频率范围,表面声子极化子和等离激元能够耦合.发现相对于单纯石墨烯或Si C来说,由于表面声子极化子与石墨烯等离激元的共同作用,以Si C为基底的石墨烯之间的量子摩擦有很大的增强.此外,我们发现量子摩擦系数随石墨烯化学势的增加先增加后减小,摩擦系数可以取得最大值.本文的研究对于微/纳机电系统的制作具有积极的意义.     

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.     

二维电子气等离激元太赫兹波器件

固态等离激元太赫兹波器件正成为微波毫米波电子器件技术和半导体激光器技术向太赫兹波段发展和融合的重要方向之一。本综述介绍AlGaN/GaN异质结高浓度和高迁移率二维电子气中的等离激元调控、激发及其在太赫兹波探测器、调制器和光源中应用的近期研究进展。通过光栅和太赫兹天线实现自由空间太赫兹波与二维电子气等离激元的耦合,通过太赫兹法布里-珀罗谐振腔进一步调制太赫兹波模式,增强太赫兹波与等离激元的耦合强度。在光栅-谐振腔耦合的二维电子气中验证了场效应栅控的等离激元色散关系,实现了等离激元模式与太赫兹波腔模强耦合产生的等离极化激元模式,演示了太赫兹波的调制和发射。在太赫兹天线耦合二维电子气中实现了等离激元共振与非共振的太赫兹波探测,建立了太赫兹场效应混频探测的物理模型,指导了室温高灵敏度自混频探测器的设计与优化。研究表明,基于非共振等离激元激发可发展形成室温高速高灵敏度的太赫兹探测器及其焦平面阵列技术。然而,固态等离激元的高损耗特性仍是制约基于等离激元共振的高效太赫兹光源和调制器的主要瓶颈。未来的研究重点将围绕高品质因子等离激元谐振腔的构筑,包括固态等离激元物理、等离激元谐振腔边界的调控、新型室温高迁移率二维电子材料的运用和高品质太赫兹谐振腔与等离激元器件的集成等。     

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.     

基模磁激元诱导的多带完美吸收

本文提出一种方向不敏感多带吸收的新结构,即结合光学声子色散材料及无色散介电材料,将其作为单一尺寸金属/介质/金属微光栅的介质分离层。在红外大气窗口波段激发了基模磁激元谐振因此导致多频带吸收。基于有限元方法求解了混合结构的吸收率及电磁场分布,并研究了入射角及结构参数的变化对多峰值吸收的影响。考虑到磁激元的本质是由金属光栅下表面与金属基底上表面诱导出反向电流震荡引起,多层介质膜起到介电隔离层的作用。对多层介质膜进行等效介质理论近似,并通过等效LC电路预测和分析了基模磁激元谐振频点。本文所提出的多带吸收机理在红外探测、辐射制冷领等域具有应用前景。