二维材料解理技术新进展及展望

自从2004年首次制备出石墨烯以来,机械解理技术被广泛用于制备过渡金属二硫族化合物、黑磷等各种二维材料.在多种二维材料制备技术中,机械解理技术具有制备方法简单、普适性好等优点,最重要的是解理得到的晶体质量高,是研究很多新奇物性的理想选择.本文介绍了机械解理技术的产生背景,总结了常规机械解理技术在二维材料研究过程中的瓶颈.为了解决常规机械解理技术制备效率低、样品尺寸小的问题,一些新型机械解理技术近年来不断发展起来,如氧气等离子体辅助法和金膜辅助法等.作为自上而下的二维材料制备方法,新的解理技术在未来二维材料基础研究和应用中仍然充满生机.未来解理技术将朝更大尺寸,更高质量方向发展.     

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...     

二维范德瓦尔斯异质结构的制备与物性研究

二维范德瓦尔斯材料(可简称二维材料)已发展成为备受瞩目的材料大家族,而由其衍生的二维范德瓦尔斯异质结构的集成、性能及应用是现今凝聚态物理和材料科学领域的研究热点之一.二维范德瓦尔斯异质结构为探索丰富多彩的物理效应和新奇的物理现象,以及构建新型的自旋电子学器件提供了灵活而广阔的平台.本文从二维材料的转移技术着手,介绍二维范德瓦尔斯异质结构的构筑、性能及应用.首先,依据湿法转移和干法转移的分类,详细介绍二维范德瓦尔斯异质结构的制备技术,内容包括转移技术的通用设备、常用转移方法的具体操作步骤、三维操纵二维材料的方法、异质界面清洁.随后介绍二维范德瓦尔斯异质结构的性能和应用,重点介绍二维磁性范德瓦尔斯异质结构,并列举在二维范德瓦尔斯磁隧道结和摩尔超晶格领域的应用.因此,二维材料转移技术的发展和优化将进一步助力二维范德瓦尔斯异质结构在基础科学研究和实际应用上取得突破性的成果.     

二维范德瓦尔斯异质结构的制备与物性研究

二维范德瓦尔斯材料(可简称二维材料)已发展成为备受瞩目的材料大家族,而由其衍生的二维范德瓦尔斯异质结构的集成、性能及应用是现今凝聚态物理和材料科学领域的研究热点之一.二维范德瓦尔斯异质结构为探索丰富多彩的物理效应和新奇的物理现象,以及构建新型的自旋电子学器件提供了灵活而广阔的平台.本文从二维材料的转移技术着手,介绍二维范德瓦尔斯异质结构的构筑、性能及应用.首先,依据湿法转移和干法转移的分类,详细介绍二维范德瓦尔斯异质结构的制备技术,内容包括转移技术的通用设备、常用转移方法的具体操作步骤、三维操纵二维材料的方法、异质界面清洁.随后介绍二维范德瓦尔斯异质结构的性能和应用,重点介绍二维磁性范德瓦尔斯异质结构,并列举在二维范德瓦尔斯磁隧道结和摩尔超晶格领域的应用.因此,二维材料转移技术的发展和优化将进一步助力二维范德瓦尔斯异质结构在基础科学研究和实际应用上取得突破性的成果.     

基于二维材料异质结可饱和吸收体的超快激光器

可饱和吸收体作为非线性光学行为的物质载体,是获得超快激光的关键材料.基于石墨烯、过渡金属硫化物、拓扑绝缘体、黑磷等二维材料为代表的可饱和吸收体具有不同的光学优点,但仅依赖某一方面光学优势的单一材料,很难避免其应用的局限性.通过异质结结构结合不同二维材料的优势,达到光学互补效应,为制备高性能的新型可饱和吸收体,实现短脉宽高峰值功率的输出提供了思路和借鉴.本文总结了异质结可饱和吸收体的制备方法、能带匹配模型、电子跃迁机理,并从工作波长、输出脉宽、重复频率、脉冲能量等重要参数对国内外基于二维材料异质结激光器的研究进展进行了综述,此外,对二维材料异质结在光调制器、超快激光、可饱和吸收体、光开关等方向的发展前景进行了展望.     

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。     

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。     

超高真空构筑新型二维材料及其异质结构

由于量子受限效应,二维材料表现出很多三维材料所不具备的优异电学、光学、热学以及力学性能,为研究人员所关注.材料的优异物性离不开高质量材料的制备,超高真空环境可以减少杂质分子的污染与影响,提高二维材料的质量与性能.本文介绍基于超高真空环境的新型二维原子晶体材料的原位制备方法,包括利用分子束外延构筑新型二维材料、利用石墨烯插层构筑新型二维原子晶体材料异质结构以及利用扫描探针原位操纵构筑二维材料异质结构三大类.文章回顾利用这三类方法构筑的二维材料及其物理化学性质,比较三种方法各自的优势与局限性,对未来二维材料制备提供一定的指引.     

能谷与非线性光学

能谷自由度是近年来随着新型二维量子材料的研究而兴起的新焦点,而非线性光学则是现代光学学科中的重要分支。这两个看似没有任何交集的领域由于都对物质材料的中心反演对称破缺极度敏感而密切关联。文章将以过渡金属二硫属化物的单层和少层为代表,介绍能谷自由度与非线性光学中最基本的二次谐波过程之间的关系。由此得出,非线性光学可以成为研究能谷物理的重要技术和手段。同时,过渡金属二硫属化物等能谷材料也大大丰富了非线性光学的研究对象,预期二维材料和器件可以成为非线性光学研究的新机遇和新热点。     

有机自组装低维圆偏振发光材料的研究进展

具有圆偏振发光(CPL)性质的材料由于在3D显示、光学存储以及光学防伪等领域的重要应用,近年来越来越受到研究人员的关注.超分子策略能够将不同类型的分子组装成具有独特功能的低维(零维、一维和二维等)结构,因而成为构筑CPL活性有机低维材料的最有效方法之一.本文从超分子自组装驱动力的角度综述了近几年自组装CPL活性有机低维...     

可调太赫兹与光学超材料

本文对可调太赫兹与光学超材料的研究进展进行了综述,并对其发展趋势和应用前景进行了展望。可以预见,可调超材料将继续成为超材料研究中的热点课题,并将成为引领光学器件和光学系统变革的潜在技术途径,对光学和太赫兹技术的发展将产生深远的影响。     

Metamaterials and metasurfaces for designing metadevices:Perfect absorbers and microstrip patch antennas

In the past twenty years, electromagnetic metamaterials represented by left-handed metamaterials(LHMs) have attracted considerable attention due to the unique properties such as negative refraction, perfect lens, and electromagnetic cloaks. In this paper, we present a comprehensive review of our group's work on metamaterials and metasurfaces. We present several types of LHMs and chiral metamaterials. As a two-dimensional equivalent of bulk three-dimensional metamaterials, metasurfaces have led to a myriad of devices due to the advantages of lower profile, lower losses, and simpler to fabricate than bulk three-dimensional metamaterials. We demonstrate the novel microwave metadevices based on metamaterials and metasurfaces: perfect absorbers and microwave patch antennas, including novel transmission line antennas,high gain resonant cavity antennas, wide scanning phased array antennas, and circularly polarized antennas.     

Controlling light with plasmonic multilayers

Recent years have seen a new wave of interest in layered media – namely, plasmonic multilayers – in several emerging applications ranging from transparent metals to hyperbolic metamaterials. In this paper, we review the optical properties of such subwavelength metal–dielectric multilayered metamaterials and describe their use for light manipulation at the nanoscale. While demonstrating the recently emphasized hallmark effect of hyperbolic dispersion, we put special emphasis to the comparison between multilayered hyperbolic metamaterials and more broadly defined plasmonic-multilayer metamaterials A number of fundamental electromagnetic effects unique to the latter are identified and demonstrated. Examples include the evolution of isofrequency contour shape from elliptical to hyperbolic, all-angle negative refraction, and nonlocality-induced optical birefringence. Analysis of the underlying physical causes, which are spatial dispersion and optical nonlocality, is also reviewed. These recent results are extremely promising for a number of applications ranging from nanolithography to optical cloaking.     

Unidirectional amplification and shaping of optical pulses by three-wave mixing with negative phonons

A possibility to greatly enhance frequency-conversion efficiency of stimulated Raman scattering is shown by making use of extraordinary properties of three-wave mixing of ordinary and backward waves. Such processes are commonly attributed to negative-index plasmonic metamaterials. This work demonstrates the possibility to replace such metamaterials that are very challenging to engineer by readily available crystals which support elastic waves with contra-directed phase and group velocities. The main goal of this work was to investigate specific properties of indicated nonlinear optical process in short-pulse regime and to show that it enables elimination of fundamental detrimental effect of fast damping of optical phonons on the process concerned. Among the applications is the possibility of creation of a family of unique photonic devices such as unidirectional Raman amplifiers and femtosecond pulse shapers with greatly improved operational properties.     

太赫兹波段超材料的制作、设计及应用

本文从制作方法、结构设计和材料选择几方面综述了超材料在太赫兹波段的电磁响应特性和潜在应用。首先,介绍了获得不同维度、具有特异电磁响应以及结构可调超材料的各种微加工制作方法,进而分析和讨论了超材料的电磁响应特性。文中指出,结构设计可以控制超材料的电磁响应特性,如各向异性、双各向异性、偏振调制、多频响应、宽带响应、不对称透射、旋光性和超吸收等。超材料的电磁响应依赖于周围微环境的介电性质,因而可用于制作对环境敏感的传感器件。此外,电光、磁光、相变、温度敏感等功能材料的引入可以获得光场、电场、磁场、温度等主动控制的太赫兹功能器件。最后,简单介绍了超材料在太赫兹波段进一步发展所面临的机遇和挑战。     

Verification of surface WGM in radio frequency band

The ideas of generating surface whispering gallery mode (SWGM) through coating a microresonator with a layer of metamaterials is proposed in our previous work. In this paper, we verify the SWGM with a square resonator based on two-dimensional LC network in radio frequency band. The equivalent node voltage distribution matrix of this resonator is derived. Results show that node voltage can be amplified when the square resonator is covered with a layer of double negative metamaterials. The performance of the metamaterial resonator as a dielectric sensor with excellent sensitivity has been demonstrated. This work may put a great step toward the realization of SWGM sensors using metamaterials.     

Scattering-free plasmonic optics with anisotropic metamaterials

We develop an approach to utilize anisotropic metamaterials to solve one of the fundamental problems of modern plasmonics--parasitic scattering of surface waves into free-space modes, opening the road to truly two-dimensional plasmonic optics. We illustrate the developed formalism on the examples of plasmonic refractor and plasmonic crystal, and discuss limitations of the developed technique and its possible applications for sensing and imaging structures, high-performance mode couplers, optical cloaking structures, and dynamically reconfigurable electroplasmonic circuits.     

基于电磁超表面的透镜成像技术研究进展

电磁超表面属于超材料的一种,是由许多亚波长纳米结构单元组成的二维功能性平面结构.根据惠更斯原理,超表面阵列可以任意调控光波的相位、振幅和偏振.与传统器件相比,基于这种超材料设计的光学功能器件最大的优势是其具有极薄的厚度.本文首先介绍了广义斯涅耳定律以及纳米单元结构调控相位的基本原理,重点归纳了电磁超表面在透镜成像技术方面的研究进展,包括等离子体超表面、全介质超表面以及金属/介质混合式超表面在成像方面的应用,最后指出了超表面在成像方面尚未解决的前沿问题以及与实际应用接轨的重要问题,希望能为以后的深入研究提供一定的参考和借鉴.     

Optical properties of metamaterial-based devices modulated by a liquid crystal

Due to the fact that it is possible to manipulate light with photonic crystals (PCs), PCs hold a great potential for designing new optical devices. There has been an increase in research on tuning the optical properties of PCs to design devices. We presented a numerical study of optical properties of metamaterial-based devices by liquid crystal infiltration. The plane wave expansion method and finite-difference time-domain method for both TE and TM modes revealed optical properties in photonic crystal structures in an air background for a square lattice. E7 type has been used as a nematic liquid crystal and SrTiO₃ as a ferroelectric material. We showed the possibility of the metamaterials for a two-dimensional photonic crystal cavity on a ferroelectric base infiltrated with a nematic liquid crystal.