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.     

表面等离激元与磁表面等离激元

金属微纳结构体系中的表面等离激元以及磁表面等离激元因其独特的光学特性吸引了研究者们的极大兴趣,成为当前的热点研究领域之一.文章对表面等离激元尤其是磁表面等离激元的特点、基本现象、新颖效应及其应用研究前景的最新发展进行了介绍.     

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.     

近红外磁表面等离激元单向波导

基于电介质-旋电介质的磁表面等离激元（SMPs）模型,从色散方程出发,理论分析了存在表面波时旋电介质介电张量和电介质介电系数的关系,以实现单向传输的SMPs。提出Ce∶YIG/Ag超构旋电材料,根据有效介电张量理论构造满足SMPs条件的旋电介质的介电张量。分析了电介质-旋电介质表面波的色散特性,利用有限元方法对电介质-超构旋电介质模型的传输特性进行了仿真计算,在施加常规磁场（0.2 T）情况下实现了工作于近红外波段的SMPs单向传输,并在该结构中引入缺陷。仿真结果表明该SMPs单向波导具有很好的鲁棒性。     

基于石墨烯纳米带的齿形表面等离激元滤波器的研究

提出了一种基于石墨烯纳米带的齿形表面等离激元波导滤波器, 并且用时域有限差分法研究了这种结构. 单个齿形的滤波器可以实现带阻滤波, 其滤波特性可以用基于散射矩阵的解析模型解释. 滤波器的透射谱特性可以通过调节齿的长度、宽度以及石墨烯的化学势来改变. 由于石墨烯的化学势可以用门电路来调节, 这种结构的滤波器可以在器件加工完成后灵活地调节其工作波长. 同时研究了多齿滤波器, 这种结构可以实现宽带滤波, 文中对具有不同齿数、周期的滤波器的透射谱进行了细致的研究. 研究结果对实现基于石墨烯的大规模集成光电子器件提供了重要的理论参考.     

基于偏置纳米线的石墨烯表面等离激元调制器

开发高性能的电光调制器对于构建片上光子回路非常重要.鉴于纳米线结构具备独特的电场横向束缚特点,设计一种基于纳米线的混合表面等离激元波导电光调制器,该调制器由偏置双硅纳米线、双石墨烯层以及置于双石墨烯层之间的银纳米线构成.利用二维时域有限差分算法计算分析结构参数对器件调制性能的影响.模拟结果表明,所设计的调制器在1550 nm的工作波长下可以实现较为出色的调制性能,其3 dB调制带宽高达250 GHz,调制深度和功耗分别高于0.15 dB/μm和低于11.5 fJ/bit,该调制器可为新一代高性能集成电光调制器的开发提供设计思路.     

等离激元能带结构与应用

近些年来,表面等离激元因其具有强局域、亚波长和高场强等特殊的光学性质而备受关注,在化学、生物、通信、纳米能源等各领域得到了广泛的研究.为了更好地控制表面等离激元的激发、传播和辐射,具有能带结构的周期性表面等离激元结构被广泛的研究.本文全面综述了具有等离激元能带的微纳结构、能带的产生机制与其特殊的性质,包括连续谱中的束缚态、波导、全带隙、拓扑等.在此基础上,基于等离激元能带设计所开展的一些应用也予以系统总结.最后,随着新材料的发现,本文还简要介绍了二维材料石墨烯等离激元能带和它的一些应用.     

局域表面等离激元

局域表面等离激元使得贵金属纳米颗粒具有丰富的光学性质,其应用涵盖能源、生物医学、安全、信息、超材料等诸多领域。文章简要介绍局域表面等离激元的基本性质、贵金属纳米结构中的局域表面等离激元共振耦合以及具有局域表面等离激元特性的贵金属纳米结构的一些重要应用。     

局域表面等离激元

局域表面等离激元使得贵金属纳米颗粒具有丰富的光学性质,其应用涵盖能源、生物医学、安全、信息、超材料等诸多领域。文章简要介绍局域表面等离激元的基本性质、贵金属纳米结构中的局域表面等离激元共振耦合以及具有局域表面等离激元特性的贵金属纳米结构的一些重要应用。     

二维方形量子点体系等离激元的量子化

量子点体系等离激元的研究是光电子学领域的热点.为进一步加深和完善对等离激元的量子效应的认识,本文利用紧束缚近似和线性响应理论研究了二维方形量子点体系对外场的集体响应.结果表明,当外场频率等于等离激元的频率时,量子点体系会有强烈的电荷振荡,并伴随着能量的极大吸收和近场的增强.在量子点中,等离子体存在分立的元激发.等离子体元激发的个数将随着量子点尺寸和电子个数的增加而增加.随量子点尺寸的增加,分立的等离激元将逐步呈现准连续的特性,即过渡为经典连续的等离激元,其频谱曲线演化为经典的色散曲线.结果还表明:随量子点尺寸的增加,等离激元的频率会红移,等离激元的激发强度会增大;随量子点中电子数的增加,等离激元的频率会蓝移,等离激元的激发强度会增大.     

基于石墨烯加载的不对称纳米天线对的表面等离激元单向耦合器

本文设计并数值研究了一种石墨烯加载的不对称金属纳米天线对结构.利用石墨烯费米能级的动态调控特性,实现了电控表面等离激元的单向传输.类似于传统的三明治型纳米天线结构,设计的不对称金属纳米天线对结构可以等效为两个共振的磁偶极子,由于磁偶极子辐射电磁波的干涉,将导致单向传输效应.通过计算腔中的电场分布,发现石墨烯的调谐能力与石墨烯区域的电场强度成正比关系.以上现象都可以通过等效电路模型进行理论解释.此外,该结构具有小尺寸、高效率、宽带宽和易于光电集成等优点,在未来的光子集成与光电子学领域将具有重要的应用.     

表面等离激元——机理、应用与展望

等离激元光子学(plasmonics)的研究内容是金属纳米结构独特的光学性质及其应用.随着纳米科技的进步,等离激元光子学已经迅速发展成为一门新兴学科,在生物、化学、能源、信息等领域具有重要的应用前景.文章主要介绍表面等离激元(surface plasmons,SPs)的一些基本物理性质,包括局域的表面等离激元(localized surface plas-mon,LSP)和传导的表面等离激元(propagating surface plasmon polariton,SPP),文章还介绍了表面等离激元的几个重要的应用方向,例如生物/化学传感器、表面等离激元激光、光开关器件以及表面等离激元光逻辑运算,等等.     

基于纳米金属-石墨烯耦合的多频段等离激元诱导透明

提出了基于银纳米棒、银纳米盘和石墨烯耦合的多频段等离激元诱导透明(PIT)电磁模型,通过时域有限差分和辐射双振荡器(RTO)模型从数值计算和理论研究两方面分析了模型的电磁特性.结果表明:由于银纳米棒与银纳米盘、银纳米棒与银纳米棒之间的明模-明模耦合,可以实现在单频段PIT效应的基础之上,进一步产生双频段和三频段的PIT效应.其次,通过改变石墨烯的化学电位势,可以在单频段、双频段和三频段PIT模型中同时实现谐振频率和透射振幅的可调性.当化学势增大时,各频段PIT窗口的谐振频率将会逐渐增大,发生蓝移.此外,随着化学势增加,银盘和银棒表面电荷数会不断增加、表面电场将不断增强.同时,银盘和银棒、银棒和银棒之间的耦合强度也将逐渐增强.因此,各频段PIT的透射振幅将会逐渐减小,振幅调制深度逐渐增大.进一步研究了单频段PIT模型的传感特性,该模型随背景材料折射率变化的灵敏度达到了3906.6 nm/RIU.这为多频带滤波、超灵敏传感器的设计提供了理论参考.     

电子束诱导的纳米颗粒表面等离激元激发模拟

本文基于离散偶极子近似方法,发展出了一套计算任意纳米结构材料的电子能量损失谱的方法和程序. 模拟了在单个银纳米颗粒附近不同入射位置下的电子能量损失谱,其计算结果与实验能谱非常吻合. 虽然离散偶极子近似法早在很多年前就已经被应用到处理外加光场激发的情形,但这套方法才真正提供了一个研究电子束诱导金属纳米颗粒局域表面等离激元激发的计算工具.     

表面等离激元共振

表面等离激元共振是一种探测金属表面变化的敏感探针，它可以对转移到金（Ａｕ）膜表面的有机单分子层膜进行测量，测量的装置是以衰减全反射为实验基础的。     

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。     

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。     

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。     

深亚波长束缚的石墨烯混杂等离激元波导

研究了一种石墨烯-V型槽混杂等离激元波导,分析了系统几何参数和石墨烯化学势对该混杂结构所支持的基态混杂等离激元模式特性的影响。通过增加凹槽尺寸和减小石墨烯化学势可以有效地压缩混杂模式的有效面积,与无凹槽结构相比,所提结构的有效模场面积降低了2个数量级,虽然其传输距离变短,但是品质因子（FoM）提高了34.5%～88.5%。分析了2个并排放置的石墨烯-V型槽混杂等离激元波导之间的串扰,通过优化几何尺寸和调节石墨烯化学势,两波导之间无串扰的最小距离可以减小到22μm。本研究将为动态可调的太赫兹亚波长波导的研制和性能优化提供理论参考。     

二维二元碳化硅纳米结构的等离激元激发

基于含时密度泛函理论,研究两种构型的二维二元碳化硅（SiC）纳米结构的等离激元激发.SiC纳米结构有两个等离激元共振带.由于键长的改变,相对于硅烯纳米结构和石墨烯纳米结构,SiC纳米结构的两个等离激元共振带分别发生蓝移和红移.一种SiC纳米结构的等离激元共振激发依赖于边界的构型和纳米结构形貌;另一种SiC纳米结构的等离激元共振激发对于边界构型和纳米结构形貌的依赖性降低.沿不同方向激发时,等离激元共振特性基本相同.