表面激子极化激元的定域化

在存在着随机粗糙和空间色散时，利用了一个数字模型研究表面激子极化激元的定域化．发现定域化出现在表面激子极化激元的最大频率附近，在广延态上的衰减长度大于定域态上的衰减长度，表面激子极化激元的定域化是受到粗糙表面散射波的毁灭性干涉所引起的．     

激子极化激元光子学研究进展

研究光与物质相互作用是腔量子电动力学的一个重要方向.早在20世纪50年代,黄昆先生就提出了固体环境中的光子与晶格连续作用的时间演化图像,并指出光子-声子时间上连续不断的相互转化会在物质中形成声子极化激元波,从理论上计算了声子极化激元波的色散关系.Hopfield把这种图像推广到半导体环境中的光子-激子作用上.随后人们在微腔中实现了单原子、单量子点激子的真空拉比振荡.随着半导体微腔生长和微纳加工工艺的提高,激子极化激元的凝聚、超流、涡旋等宏观量子态被实验证明.通过控制微腔结构和光场调控的手段,人们进一步实现了对宏观量子态的相干调控.有机半导体、钙钛矿、二维半导体等新材料体系展现了极大的激子束缚能,有望实现室温量子器件的制备.微腔激子极化激元的研究进入了黄金时代.本文首先从激子极化激元的基本图像入手,详细介绍激子极化激元的概念、色散关系以及常见的激子极化激元体系.其次,总结了研究微腔激子极化激元的材料体系和实验方法,详细介绍了平板微腔和微纳材料自构型微腔的工作原理和具体实例,以及共焦显微荧光光谱和角分辨荧光光谱.第三,对激子极化激元的量子调控进行了总结.详细介绍了激子极化激元的重要宏观量子态以及通过微纳加工和光场调控的方式对宏观量子态的操控.具体分析了两个量子态操控的实例,包括氧化锌超晶格中多重量子态的制备以及凝聚体的参量散射过程.第四,对新型材料中激子极化激元的研究进行了总结,包括二维半导体、有机半导体和钙钛矿.最后,对本文进行总结,并且从理论、实验的角度分别预测了该领域的发展趋势.     

快速低功率全光可调局域激子极化激元超材料

激子极化激元指的是材料中激子和光子强耦合而形成的准粒子,由于具有强相互作用而在全光器件中有着广泛的应用前景.近期,本课题组利用周期性矩形孔硫化钨纳米片超材料,实现了低泵浦功率快速响应全光可调激子极化激元.通过线性显微透过光谱实验可以发现结构的透过谱中出现明显的共振行为.类比于表面等离激元和声子极化激元,研究证明共振行为来源于局域激子极化激元.本文还在实验上证明了在波长402 nm,功率85MW cm~(-2),脉冲120 fs激光泵浦下,超材料共振波长处透过率从0.18增加到0.44,并得到时间48.7 ps的快速响应.此外,本文还验证了局域激子极化激元在过渡金属硫化物材料中广泛存在.这种特性使得过渡金属硫化物这种范德瓦尔斯材料在低泵浦功率全光器件和纳米集成回路中具有潜在应用价值.     

正弦色散对一维声学激子能量的影响

采用顾世洧处理体内激子方法，把Ｗｉｌｓｏｎ提出的一维极化子哈密顿量推广到一维激子，并考虑了声子的色散效应，运用微扰法计算正弦色散时一维声学激子基态能，与无色散时一维声学激子，极化子做了比较。     

二维周期型势阱中激子极化激元玻色爱因斯坦凝聚态局域化研究

研究二维情况下受泵浦光激发和周期型势阱囚禁的激子极化激元系统.以冷原子体系为基础,根据含时变分法,由高斯型试探波函数和Euler-Lagrange方程得出高斯型稳定局域态宽度的条件,用虚时和实时演化方法对冷原子凝聚体动力学行为进行数值模拟.考虑到激子极化激元系统中泵浦、耗散和饱和增益项的影响,将研究推广到激子极化激元凝聚体系.研究二维周期型势阱的不同势阱周期对局域凝聚态行为的影响,并与相同条件下冷原子局域凝聚态进行比较;研究周期型势阱在激子极化激元凝聚态演化过程中的作用.在没有周期型势阱下,局域凝聚态仍然能够出现,势阱存在时能对局域凝聚态的密度分布进行修正.     

单轴各向异性半无限左手化材料中的表面极化激元

根据表面极化激元的电磁场,讨论了p偏振和s偏振情况下,单轴各向异性半无限左手化材料中的表面极化激元的存在区域,以及表面极化激元的色散关系.结果表明极化激元可以存在于非左手化材料中,同时还可以存在于单轴各向异性左手化材料中.研究了单轴各向异性左手化材料中平行于轴的介电分量和磁导率分量对表面极化激元的影响.     

光学微腔中WSe2激子与光子耦合效应的研究

研究了300 K下,自制的法布里-珀罗(Fabry-P6rot,F-P)半导体微腔中,光场与WSe2单分子薄膜激子之间的强弱耦合作用.利用集成角分辨功能的显微荧光/白光反射光谱系统研究了样品的光学性质,并在强耦合区间内看到了激子极化激元的形成,对应的拉比分裂能量为46.7 meV.理论拟合结果跟实验现象吻合,为激子极化...     

左手材料上表面等离子体激元的研究

针对存在于半无限左手材料表面上的表面等离子体激元,研究其p型极化时的色散关系;通过棱镜耦合得到衰减全反射谱,论证实验上观察表面等离子体激元的可能性;分析各种参数对实验观察p极化表面等离子体激元的影响,发现不同的参数对表面等离子体激元与隐失波的共振频率及共振强度均有着不同影响。     

三元混晶三层系统的表面和界面声子极化激元

运用改进的无规元素等位移模型和玻恩-黄近似,结合电磁场的麦克斯韦方程和边界条件,研究了真空/极性三元混晶薄膜/极性二元半导体衬底三层系统的表面和界面声子极化激元,以AlxGa1-xAs/GaAs和ZnxCd1-xSe/ZnSe为例,获得了表面和界面声子极化激元模的色散关系以及表面和界面模的频率随混晶组分和薄膜厚度的变化关系.结果表明:与二元晶体三层系统以及三元混晶单层薄膜不同,在三元混晶三层异质结系统中存在五支表面和界面声子极化激元模,这五支表面和界面模的频率曲线位于二元晶体和三元混晶的体声子极化激元的禁带区间内,且其能量随混晶组分和薄膜厚度呈非线性变化,三元混晶的"单模"和"双模"性也在色散曲线中体现了出来.     

激子理论

本文综述了我们近年来在激子理论方面的部分工作。第二节中从Frohlich激子一声子系哈密顿出发,用Haga研究极化子时提出的微扰法导出了激子的基态能量、有效质量以及内部势能;对激子的自陷条件、Wannier激子的稳定性等问题进行了分析,对于大激子和小激子两种极限情形,导出了能量和波函数的解析式;对于激子半径与屏蔽长度相近的中间情形,计算了激子的结合能,与实验值作了比较,较之他人的结果有了很大的改进。第三节中计及离子晶体的原子结构,用紧束缚法导出了Frenkel激子的自陷能和有效质量,导出了有效质量与温度的关系,计算了小激子的自陷能并与第二节所得的结果作了比较。第四节中对压电晶体,考虑声学声子与电子、空穴的作用,异出了激子的有效哈密顿,对压电激子的自陷能、有效质量以及电子空穴有效作用势作了讨论。第五节中讨论极性晶体中的表面激子,计及表面光学声子与电子—空穴的作用,导出了极性晶体中理想表面激子的有效哈密顿,对表面激子的自陷条件、电子—空穴有效作用势作了分析,并和体激子作了比较。     

二维晶体中的声激子

本文采用Huybrechts研究极化子提出的线性组合算符方法,讨论了晶体中表面激子和表面声学声子的相互作用,导出了强、弱耦合下表面激子的有效哈密顿量。发现自陷能与电子和空穴的质量比和瑞利波速有关。     

二维晶体中的声激子

本文采用Huybrechts研究极化子提出的线性组合算符方法,讨论了晶体中表面激子和表面声学声子的相互作用,导出了强、弱耦合下表面激子的有效哈密顿量。发现自陷能与电子和空穴的质量比和瑞利波速有关。     

激子与声子色散

通常研究激子时,将光学声子的频率视为常数,本文计及光学声子的能量随波矢的变化,导出了激子的有效哈密顿。发现激子的有效质量、自陷能以及电子—空穴有效作用势都与声子的色散有关、随着色散的增强,激子的有效质量增大,自陷的临界质量比范围变小,电子—空穴有效作用势的屏蔽半径变短。     

Wannier激子的稳定性与声子色散的关系

作者曾计及纵光学声子的色散,导出了极性晶体中激子的有效哈密顿量,本文据此计算了激子的基态能量,从而得到结论:Wannier激子的稳定性条件与声子的色散有关,色散愈强,临界质量比的范围愈窄。     

三元混晶三层薄膜系统的表面和界面声子极化激元

运用改进的无规元素等位移模型和玻恩-黄近似,结合电磁场的麦克斯韦方程和边界条件,研究了三元混晶三层薄膜系统的表面和界面声子极化激元.以Ⅲ-Ⅴ族和Ⅱ-Ⅵ族三元混晶三层薄膜系统为例,获得了表面和界面声子极化激元模的色散关系以及表面模和界面模的频率随三元混晶组分和薄膜厚度的变化关系.结果表明,由于表面和界面数量的增加,与三元混晶量子阱和双层薄膜系统不同,在Al_xGa_(1-x)As/GaAs/Al_xGa_(1-x)As和ZnSe/Zn_xCd_(1-x)Se/ZnSe三层薄膜系统中分别存在十支和八支表面和界面模,且三元混晶的组分和薄膜厚度变化时,表面和界面声子极化激元模的频率随之呈非线性变化,其色散曲线也很好地表征了三元混晶的"单模"和"双模"性.     

极化晶体中的激子

在本文中采用Haga研究极化子时提出的微扰法討論极化晶体中的激子,在忽略反冲效应中不同波矢的声子之間的相互作用时,导出激子的基态能量和有效质量。     

晶格振动对激子内部运动的影响

我们利用Haga研究极化子时所提出的微扰法,讨论极化晶体中由于晶格振动对激子内部运动的影响,从而修正了激子内部运动的有效约化质量;并且修正了激子基态的能量。     

膜厚对三元混晶双层系中声子极化激元模的影响

采用改进的无规元素等位移模型和玻恩-黄近似,运用电磁场的麦克斯韦方程和边界条件,研究了薄膜厚度对由极性三元混晶组成的双层薄膜系统中的表面和界面声子极化激元的影响.以GaAs/AlxGa1-xAs双层系统为例,获得了其中表面和界面声子极化激元作为膜厚之函数的数值结果并进行了讨论.结果指出:在双层系统的六支表面和界面声子极化激元模中,当两种薄膜材料的厚度均变化时,只有三支界面声子极化激元的频率随之变化,而另外三支表面声子极化激元的频率则几乎不变.而当只有其中一种薄膜材料的厚度发生变化时,则只对其与另一种薄膜材料界面处且位于此种材料的纵横光学声子频率区间内的界面极化激元的频率有影响,而对其他的表面和界面极化激元的频率则没有太大的影响.     

准一维PtCl络合物的长程激子及其对静电场的响应

基于Baeriswyl Bishop模型 ,对PtCl络合物开链中的激子及其在静电场中的行为进行了数值研究 ,结果发现激子的光吸收峰在 1.5 5eV附近 ,这与Y .Wada等 (SynthMet,2 0 0 1,1～ 3:397.)最近的实验数据吻合得很好 .弱电场对激子没有明显影响 :当静电场超过临界值 15 0kV cm ,激子解离为电子型极化子和空穴型极化子 ,与共轭聚合物不同 ,极化和解离同时发生 ;电场增大至 35 0kV cm ,链体系发生结构相变并出现发光猝灭 .     

利用发光磁效应分析高温环境对OLED中激子演化的影响

本文制备了基于红荧烯(Rubrene)材料的有机发光二极管(OLED),并利用磁电致发光效应(MEL)分析了高温环境对器件中激子演化的影响.器件的MEL在高、低外加磁场范围内的线型特征表明,室温下激子的演化以单重态激子分裂(STT)过程为主,而在420 K环境温度下,器件的STT过程减弱,但出现了系间窜越(ISC)这一激子演化过程.结合器件的表面形貌、发光-电流特性、电流效率和光谱,我们认为高温环境导致Rubrene薄膜中产生了大量的结构缺陷,限制了器件内部极化子对和激子的扩散,提高了单重态和三重态极化子对间的转换效率,从而导致高温环境下出现不利于内量子效率的ISC过程.但缺陷对激子的俘获作用会抑制单重态激子向三重态激子的转换,导致STT过程在高温环境下减弱,从而提升器件的内量子效率.本研究不仅有利于理解高温环境对Rubrene型OLED器件中激子演化过程的影响,还提供了一种利用有机发光磁效应无损探测器件发光层结构改变的技术方案.