超高时空和能量分辨光电子成像研究进展

测量并操控新材料和新器件中极端时空小尺度电子的超快动力学过程,是后摩尔时代柔性半导体和微纳超快响应器件研发的核心.时空和能量分辨的光发射电子显微技术将光学的泵浦-探测方案与电子显微成像技术巧妙结合,兼具飞秒-纳米极端时空和高能量分辨本领,已经成为探索纳米光子学和低维半导体器件等领域超快光物理过程的普适显微手段,推动了等离激元学、半导体材料科学及其相关交叉学科在基础和应用研究领域的革命性发展.本篇综述将重点介绍超快光电子成像技术在等离激元功能器件、高阶等离激元涡旋场、等离激元斯格明子和低维半导体材料方面的应用.最后,我们将展望超快光电子成像技术在未来基础研究和应用研究中的新机遇.     

手性等离激元纳米结构制备及其应用

手性是自然界物质普遍存在的特征.手性等离激元纳米结构因其优异的光学活性近年受到业界广泛关注.介绍了手性的基本概念和表征方法,综述了3种常用的产生等离激元圆二色响应的纳米结构及其制备方法,总结了其在多方面的应用.纳米制造技术的发展促进了复杂的手性等离激元纳米结构"自上而下"的合成,与此相对应,手性模板和手性分子诱导的手性转移,则为手性纳米结构"自下而上"的湿化学合成提供了多种可行性.具有手性光学响应的等离激元纳米结构主要有3种类型.利用手性分子和非手性等离激元纳米颗粒之间的偶极—偶极相互作用可诱导PCD,但手性响应通常较弱.具有手性形状的单个纳米结构及非手性等离激元纳米颗粒构成的手性组装结构则可产生强烈的手性光学响应.手性等离激元纳米结构在手性光学器件、手性物质检测、手性催化和生物医学等方面展现了广阔的应用前景.     

新型等离激元光学和过渡金属二硫化物复合体系

过渡金属二硫化物(Transition Metal Dichalcogenides, TMDs)以其优异的光电子学特性,在诸如光捕获、光电探测、光电晶体管、发光二极管以及纳米激光器等领域中展现出了强大的应用潜力,成为当前研究前沿热点之一.少层TMDs材料的带隙处于可见和近红外区间,其激子在室温下具有很大的束缚能、高谐振子强度,且单层TMDs由于空间反演对称性的破缺具有能谷选择的圆二色性等,这些特性使得TMDs材料格外引人注目.金属纳米结构的表面等离激元具有亚波长的光局域特性,可通过合理的结构设计实现对其共振波长、频谱宽度、近场增强倍数、远场辐射特性的灵活控制.将等离激元光学结构和过渡金属二硫化物相结合可大幅拓宽纳米光子学前沿基础问题研究与纳米光电器件的设计应用.本文综述了表面等离激元和TMDs材料复合体系的最新研究进展,着重阐述了为何这类复合体系能够提供他们各自体系所不能具有的特性.比如,表面等离激元的近场增强(场局域)效应可极大增强许多纳米光学系统中的光与物质相互作用强度,可用于对TMDs材料的光吸收、光发射、光电流以及非线性光学等过程进行调制. TMDs材料具备的受外界环境调控的强激子效应和能谷选择的圆二色性等特性,可为表面等离激元纳米结构提供丰富的主动调制手段与能谷自由度.最后展望了该新型复合体系未来的研究方向和机遇.     

基于等离激元超表面的径向和角向偏振矢量光束的产生

为满足信息大容量和快速传输处理的需求,小型平面化集成光学器件正逐渐代替传统的大体积折射器件,可在亚波长尺度进行光波操控的超表面结构为微纳光子学器件设计和相关物理现象的研究提供了全新途径.该文设计了一种由正交纳米缝对组成的表面等离激元(surface plasmon polariton, SPP)超表面,实现了径向和角向偏振矢量涡旋光束的产生.利用惠更斯-菲涅尔原理从理论上推导出螺旋超表面中心区域的表面等离激元光场表达式,并利用时域有限差分法(FDTD)进行了模拟计算.实验搭建显微成像系统采集的SPP光强分布图样与FDTD模拟和理论计算结果吻合得很好,验证了利用该超表面获得径向和角向矢量涡旋光束的可行性.     

环形石墨烯纳米结构的等离激元激发

基于含时密度泛函理论,研究了环形石墨烯纳米结构的等离激元激发.在低能共振区,和同尺度大小的石墨烯纳米结构相比,环形石墨烯纳米结构光谱的主要吸收峰发生了红移;体系中有两种主要的等离激元共振模式:低能成键模式和高能反键模式.此外,环形石墨烯纳米结构的等离激元激发对体系尺度的大小也有一定的依赖性.     

基于表面等离激元的量子相干效应的理论研究

起源于金属中自由电子集体振荡的表面等离激元,具有超小的光学模式体积和亚波长局域的近场增益,为纳米尺度上研究光和物质相互作用带来新的机遇．共振的纳米金属结构的近场区域,具有各向异性的珀塞尔系数,并且可以为量子体系提供近场激发．我们理论上演示了基于表面等离激元结构的单分子共振荧光、原子布居数的本征量子拍频及其在表面等离激元结构中的纳米尺度上的实现、表面等离激元诱导的各向异性珀塞尔系数导致的亚波长尺度自发辐射谱线的变化．这些结果在超紧凑的有源量子器件中有潜在应用．     

超平整、低损耗表面等离激元贵金属薄膜的制备、表征与应用

由于对电磁场巨大的局域化共振增强和调控作用,表面等离激元自发现之初就成为微纳光学领域的研究热点之一,在很多纳米尺度器件应用方面颇具潜力.然而,长期以来表面等离激元的实际应用受到样品制备技术的显著限制,超平整、低损耗贵金属薄膜的低成本制备技术的缺乏不仅阻碍了其实验研究的进展,更限制了表面等离激元材料在多个领域内的应用发展.随着各项制备和表征技术的发展,贵金属薄膜的平整度和光学特性逐渐从理论期望走向实际使用,从随机制备后选取逐步变为精确调控的薄膜生长.本文从制备、表征和应用三个方面出发,系统地介绍了当前贵金属超平整表面等离激元薄膜的研究进展与前沿应用.     

表面等离激元光学力研究进展

当一束光照射在物质上,光子与物质发生动量交换,部分动量转移到物质,等效于对物质产生作用力,称为光学力.这一作用力非常弱,一般在pN甚至更小的量级,但一定条件下,仍足以捕获和操纵纳米、微米尺度的物体.在金属纳米结构中,由于表面等离激元共振效应,诱导的局域电场可以产生增强的光学力,可以在亚波长尺度实现光操纵,并且由此衍生出一个极具吸引力的研究方向——表面等离激元光学力.本文介绍了利用金属纳米结构进行表面等离激元光学力操纵的最新研究进展.     

不对称纳米环/椭球二聚体的高阶表面等离激元共振特性

基于三维有限元法,研究了不对称纳米环/椭球二聚体的表面等离激元共振和局域场增强光学特性。结果可得可调的高阶表面等离激元共振,这样的高阶共振源于纳米环和纳米椭球之间的等离激元耦合。同时,在两个纳米结构耦合下,在纳米椭球上可以观察到环形电流,其产生了增强的局域电磁场。数值模拟结果表明,纳米环/椭球二聚体的偏心方向和偏心率对表面等离激元共振有着重要的影响。此结果在表面增强光谱学和生物传感方面都有着潜在的应用。     

等离激元/介质微纳结构与光的互作用及其传感应用

微纳米尺度物质与光的相互作用研究对于光电转换、生物传感等领域的发展具有重要的科学意义.基于等离激元效应和介质光耦合机理增强光和物质相互作用的微纳光学研究涌现出众多优秀科研成果,在分子传感领域更是展现出巨大的应用潜力.本文重点围绕本课题组近年来在等离激元/介质微纳结构与光的互作用方面的相关理论与实验研究展开回顾分析,揭示...     

氧化腐蚀法平滑金纳米结构粗糙表面

微加工技术为构建基于金属纳米结构的表面等离激元光学器件提供了有效手段.然而,由微加工制得的金属纳米结构表面往往粗糙不平,这限制了纳米光学器件的功能和品质.本文基于缓慢氧化腐蚀提出一种可有效平滑金纳米结构粗糙表面的方法.通过对聚焦离子束刻蚀得到的金纳米带(nanobelt)光滑前后的光传播特性进行测量比较,证明了光滑表面有利于表面等离激元的传播.这些结果表明缓慢氧化腐蚀平滑法可用于大幅提高微加工金属纳米结构的表面等离激元光学特性,对于纳米光子器件的制造及优化具有重要意义.     

针尖增强拉曼光谱的发展及其在表界面中的应用

表界面在重要的能源材料过程中扮演着极其重要的角色,对表界面纳米尺度和分子水平的表征有助于揭示其构效关系.针尖增强拉曼光谱(TERS)技术结合了等离激元增强拉曼光谱和扫描探针显微镜(SPM)技术,能够同时在纳米尺寸和分子尺度上表征表界面的物理形貌信息和化学指纹信息,因此被广泛地应用于催化、材料等领域的研究.本文首先从TERS技术在表界面研究中的优势出发,回顾TERS技术在厦门大学的发展历程,详细阐述了包括TERS针尖和仪器构型等TERS技术的核心问题;进而分析讨论了近年来TERS技术在超高真空、固气界面和固液(电化学)界面研究中的应用;最后总结了TERS技术中亟待解决的问题并展望TERS技术未来的发展方向.     

基于纳米颗粒阵列与法布里-珀罗干涉结构的超灵敏传感器设计

当前的等离激元传感主要基于表面等离极化激元和局域表面等离激元共振两种模式.然而基于表面等离极化激元的传感需要精确的入射角度及多种光学元器件的配合方能使用;而基于局域表面等离激元共振的传感由于共振线宽较宽导致其灵敏度和品质因数(figure of merit,FOM)不够高.设计了一种基于纳米颗粒/间隔层/反射层结构的具...     

表面等离子体激元波导测量材料的折射率

利用表面等离子体激元不仅可以实现在纳米尺度上操控光子,而且为发展更加微型化、集成化的光波导等光学元器件提供了有利条件.如果表面等离子体激元波导金属薄膜一侧材料的折射率已知,那么利用表面等离子体激元的场增强效应就可以对另一侧材料的折射率进行高灵敏度的探测.作者利用Mathematica软件对表面等离子体激元波导如何测量衬底一侧材料的折射率进行了模拟,得到了物质折射率与模场分布和反射谱峰值之间的关系,为理解表面等离子体激元波导的测量机理提供了思路.     

北京大学物理学院聚焦表面等离激元研究取得重要进展

表面等离激元研究是纳米光学研究的重要组成部分。北京大学物理学院朱星教授课题组在对聚焦表面等离激元(SPP)     

MSPs单向传输性能在光学隔离上的应用研究

磁表面等离激元(MSPs)可利用光子和半导体材料里的电子在纳米尺度的相互作用,将光场分布限制在远小于光波长的尺度之内,解决了因波长造成的光子器件与电子器件之间的尺寸差别问题,用其在亚波长尺度内的约束和局域特性,可将光波导的尺寸缩减到微纳量级,使光学芯片的集成度大大提高.计算了半导体-介质-金属(SDM)三层堆叠结构上MSPs单向传播的频带范围,指出只需常规磁场强度就可在SDM结构上实现太赫兹波段的MSPs单向传播机制,同时讨论了MSPs作为光学隔离器的潜在应用.     

局域表面等离激元-量子复合体系中量子干涉的理论研究

局域表面等离激元与量子发射体构成的复合体系具有比其单个子单元更丰富的性质和功能.本文从理论上研究了量子干涉效应对复合体系吸收和散射性质的影响以及对原子体系非线性效应的调控.首先,由于存在不同跃迁通道之间的干涉,体系支持暗表面等离激元诱导的无布居数反转增益和光强依赖的吸收谱效应.其次,结构开放性诱导的干涉使复合体系能够在纳米尺度、中等强度耦合下调控散射场的光子统计性质.最后,基于表面等离激元的各向异性珀塞尔系数,在纳米尺度演示了对于克尔非线性的调控.这些发现丰富了该复合体系的吸收和散射性质以及原子体系的非线性性质,并且有可能用于量子态制备、带通滤波器、折射率传感、光子统计调控、片上的全光非线性器件等方面.     

耦合诱导的金纳米棒禁戒等离激元模式激发

用时域有限差分方法（finite-difference time-domain,FDTD）模拟了有不同局域等离激元共振频率和不同体积的外来金纳米颗粒以及外来介质纳米颗粒与金纳米棒的耦合,研究了正入射条件下与各种颗粒耦合对诱发金棒上纵向等离激元的禁戒模式的不同影响,发现外来颗粒上足够多的电荷积聚造成的电场对称性破缺是诱发禁戒模式的原因.这一发现对理解金属纳米颗粒的近场光学实验探测有重要意义.     

科技要闻

有机纳米光子学研究取得进展中国科学院化学研究所姚建年院士、赵永生研究员等研究发现,激子极化激元不仅可以沿着纳米材料的轴向进行长程低损耗的传播,而且能够像光波一样在光学平整端面进行反射,并相干形成     

基于等离激元微纳结构的太阳能界面光蒸汽转换

作为人工微纳结构与光热转换的融合,太阳能光蒸汽转换成为近年来太阳能热利用领域的研究热点之一.基于人工微纳结构的等离激元吸收体,能够在整个太阳光谱范围内实现高效的光子捕获.等离激元吸收体表面和内部的光致局域加热,促成了高效的液气相变.与碳基吸收体相比,等离激元吸收体不但可将入射太阳光局域在亚波长尺度内,形成致密的热点,而且其吸收光谱可灵活调控.围绕等离激元吸收体的光蒸汽转换体系,还具有热响应快、材料抗腐蚀、可回收等优势,可用于海水淡化、污水处理、灭菌消毒等水处理领域.本文从光吸收和热局域两个角度阐述了等离激元光蒸汽转换系统的设计与优化,并对其应用前景作了展望.