圆柱形金纳米线中表面等离激元的传输性质研究

从理论上研究了圆柱形金纳米线中, 可见光波长下(λ= 632. 8 nm) 表面等离激元模式的传输性质。通过求解麦克斯韦方程组, 得到圆柱形金纳米线中表面等离激元波导的传播常数, 进而得到表面等离激元模式的传输性质, 包括其传播长度及有效半径等。还发现了表面等离激元模式的传输性质受到模式结构以及介质介电常数的影响, 并且得到了表面等离激元传输距离和能量局域之间的普遍矛盾, 即能量局域越好传播距离越短。通过计算, 能够在特定的结构参数下获得较好的局域特性和传播长度, 例如, 当金属芯半径为 40 nm, 介质( SiO₂ ) 厚度为 40 nm时, HE₁₁ 模式的传播长度为 103. 6 μm, 有效半径 642nm。     

人工表面等离激元片上传输线及其应用

现代信息技术对芯片的集成度与功能多样性提出了越来越高的要求,使得微带线、共面波导为代表的传统片上传输线在电磁模式与功能方面的短板日渐凸显。因此,从物理底层寻找具有全新传输模式的传输线是突破当前芯片瓶颈的一条重要技术路径。人工表面等离激元传输线作为一种具有强场束缚性和灵活可调色散特性等优势的电磁超材料,有望成为下一代芯片技术中的关键基础元件。文中介绍了人工表面等离激元片上传输线的基本构型、小型化设计以及可重构设计,展现了人工表面等离激元片上传输线具有的极高自由度。然后介绍了基于人工表面等离激元片上传输线的片上去耦应用和信号调制应用研究进展,展示了人工表面等离激元片上传输线巨大的应用潜力。     

石墨烯微米带THz SPPs的激发及场分布特性研究

表面等离激元可以突破衍射极限,具有强局域性,在传感、起偏、吸收、分束等方面具有广泛的应用前景.目前,太赫兹波段的表面等离激元器件研究大多是在远场光谱方面,其近场特性的研究有待更进一步深入.本文基于石墨烯微米带结构,研究了太赫兹表面等离激元的激发及场分布特性.本文设计了能够通过太赫兹波激发表面等离激元的石墨烯微米带结构,数值计算了其表面等离激元的场分布,并制备了石墨烯微米带器件,利用透射式太赫兹近场显微镜激发并测量了石墨烯微米带的表面等离激元,对共振失谐对等离激元场分布的影响进行了探究.研究结果为石墨烯表面等离激元器件在太赫兹生物传感、安全检测、高数据率通信等方面的应用提供了相关指导.     

表面等离激元波导中表面等离激元二次谐波的产生机制

在表面等离激元波导的二次谐波产生过程中, 波导较大的色散导致的相位失配阻碍了其实际应用, 能够消除相位失配的波导尚未见实验报道。通过将单层二硫化钼与平面表面等离激元波导相结合, 在波导中实现从基频表面等离激元到倍频表面等离激元的转化, 并研究单层二硫化钼-银结构的二次谐波产生特性, 为表面等离激元波导中二次谐波产生的实际应用打下基础。     

2022年太赫兹人工表面等离激元科技热点回眸

随着第六代通信技术（6G）、空间态势感知等系统对高通量、高带宽要求的进一步提高,太赫兹技术成为国际学术界和工业界的研究热点。2022年,太赫兹人工表面等离激元研究在国际上受到很大的关注,盘点了该领域的关键热点与新进展,包括基于太赫兹人工表面等离激元的无源器件、有源器件、传感器、通信系统以及生物医药应用等。人工表面等离激元对传输的电磁波具有亚波长的电场束缚能力和非线性色散特性,为太赫兹功能器件和系统应用的实现带来了新机遇。     

局域表面等离激元增强红外吸收

红外吸收光谱是探测和鉴定分子的有效工具,然而其应用受到分子低红外吸收截面的限制.金属或高掺杂半导体纳米材料的局域表面等离激元能够产生极大的局域电磁场增强.当分子红外振动与局域表面等离激元发生耦合共振时,分子的振动信号会被极大增强,可实现对目标分子的微量甚至痕量检测.由于其在化学、生物和医药等方面的巨大应用前景,近年来局域表面等离激元增强红外吸收引起了人们的广泛关注.本文首先介绍了表面等离激元增强红外吸收效应的产生机理和理论模型,在此基础上重点讨论了几类不同结构和组分的可实现表面等离激元增强红外吸收的纳米材料的制备方法和增强效果,最后总结了该效应在光谱成像、生物分子检测、环境污染物监测和气体检测等诸多方面的重要应用.     

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.     

专题：人工表面等离激元及其应用

人工表面等离激元是一种十分重要的亚波长电磁模式,基于这种波长较短的新型电磁模式,可开发薄层化、轻量化、小型化的新型电磁材料与器件,在航空、航天、通信、隐身等领域具有十分重要及广阔的应用前 景。本专题依托国家重点研发计划“高端功能与智能材料”“超材料加工制造关键技术与典型应用”、国家自然 科学基金“基于人工表面等离激元色散调控的天线 天线罩一体化隐身设计研究”等项目设立,聚焦国内人工表面等离激元的最新研究动态,汇集国内优秀团队研究成果,以期增进国内人工表面等离激元研究领域的学术交流和应用技术探讨,促进人工表面等离激元基础研究和技术创新应用的发展。本期专题采用增强出版形式,读者可扫描以下二维码查看相关支撑材料,以加深对论文内容、思路与方法的理解。     

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...     

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.     

Nanoscale all-optical devices based on surface plasmon polaritons

Surface plasmon polariton, a kind of surface electromagnetic wave propagating along the interface between metals and dielectrics, provides an excellent platform for the realization of integrated photonic devices due to its unique properties of confining light into subwavelength scales. Our recent research progresses of nanoscale integrated photonic devices based on surface plasmon polaritons, including all-optical switches, all-optical logic discriminator, and all-optical routers, are introduced in detail.     

金属亚波长小孔的光传输特性仿真模型

用三维全矢量有限元时域差分方法计算了亚波长单孔以及二维周期性孔阵列的超透射特性,分析了平面波光源通过金属圆孔点阵后,透射曲线随着点阵周期、孔径、金属薄膜厚度、介质材料和金属材料变化的规律,以及局域表面等离子体和表面等离子体共振对超透射现象的影响.证实了表面等离子共振对透射曲线中透射谷的位置起到决定性作用,而透射峰的位置除了受到介质、金属材料和点阵周期的影响之外,还会随着金属薄膜的厚度的减薄和亚波长圆孔孔径的增大出现红移.用聚焦粒子束刻蚀制备了金/氧化硅演示结构,实测与仿真结果具有较好的一致性.     

金属-有机-金属电激发表面等离激元器件

在p型硅衬底上, 制备了金属-有机-金属(metal-organic-metal, MOM)电激发表面等离激元器件。器件结构是p-Si/Au/V₂O₅/NPB/Alq₃:DCM/Sm/Au, 掺杂DCM的Alq₃为发光层。高倍显微镜下, 器件侧面发光图像显示, 绝大部分光被限制在双金层结构波导中传播。采用微区共焦拉曼光谱仪, 分别测量了侧面出射的非偏振模式、TM模式和TE模式电致发光谱。TM模式强度约为TE模式强度的2倍。分析认为, 具有TM偏振特性的表面等离激元(surface plasmon polariton, SPP)在侧面电致发光中起重要作用。 发光体的能量耗散谱表明SPP模式能量约占总能量65%。利用时域有限差分法(finite-different time-domain, FDTD)对简化结构进行模拟, 得到了泄漏模和SPP模式的二维电场强度分布。     

金属纳米颗粒／微纳结构金属膜增强拉曼研究进展

被称为“指纹谱”的分子拉曼谱及拉曼散射成像在生物及化学单分子识别领域具有重要应用。问题的关键是分子的拉曼散射截面小,利用金属纳米颗粒（LSP）局域场增强特性及其与金属膜（SPP）相互作用可产生比 LSP （ SPP）更强的局域场及尖角结构金属纳米颗粒的“热点天线”效应,可实现单分子拉曼信号的激发与辐射双共振增强效应。本文综述有关金属纳米颗粒和微纳结构金属膜相耦合增强分子拉曼信号的研究进展。     

硅基阻挡杂质带红外探测材料与器件研究进展

红外探测在天文物理研究领域具有极其重要的应用前景,由于天文深空探测对象的特殊性,对红外探测器的性能要求十分苛刻.阻挡杂质带(BIB)红外探测器,因其具有响应波段宽、噪声低、灵敏度高以及抗辐射性能好等优点,在过去30年中发展成为国际上天文领域首选的红外探测器.BIB红外探测器的探测波长覆盖中红外到远红外波段,它的推广应用促进人类在天文深空探测领域取得了一系列重大的科学成果.我国在BIB红外探测器的研究起步较晚,近年来也取得了较大进展,但是与国际领先水平相比尚有较大差距.本文主要回顾、评述了过去5年多我国在BIB红外探测器领域的研究进展,对BIB红外探测材料及其相应BIB器件的制备工艺、物性表征和光电响应特性,以及表面等离激元对器件光电响应的调控等做了详尽介绍,为我国BIB红外探测器的发展提供参考和实验依据.     

基于金属表面等离子激元的侧耦合半圆形腔-波导透射谱分析

设计了一种新型的基于金属表面等离子激元（Surface Plasmon Polaritons,SPPs）的亚波长金属-介质-金属型滤波器.该滤波器由一个半圆形谐振腔和一个直波导组成.使用时域耦合模理论和传输变换矩阵方法对结构进行理论分析,并通过时域有限差分方法(the finite difference time domain method,FDTD)进行数值模拟得出光谱响应.讨论了几何参数对透射曲线的影响, 并设计了一种双腔结构来获得高对比度的透射曲线.     

Applications of gold nanorods in biomedical imaging and related fields

Gold nanorods (GNRs) have great potential widespread applications in biomedical imaging, drug delivery and photothermal therapy due to unique surface plasmon resonance (SPR) ranging from visible to near infrared (NIR) region, facile synthesis and easy functionalization. In this review, the recent progress of GNRs in bioimaging, drug delivery, photothermal therapy and theranostics is summarized and the recommendations for the future work on GNRs are also covered.     

Quantum plasmon resonances of individual metallic nanoparticles

The plasmon resonances of metallic nanoparticles have received considerable attention for their applications in nanophotonics, biology, sensing, spectroscopy and solar energy harvesting. Although thoroughly characterized for spheres larger than ten nanometres in diameter, the plasmonic properties of particles in the quantum size regime have been historically difficult to describe owing to weak optical scattering, metal-ligand interactions, and inhomogeneity in ensemble measurements. Such difficulties have precluded probing and controlling the plasmonic properties of quantum-sized particles in many natural and engineered processes, notably catalysis. Here we investigate the plasmon resonances of individual ligand-free silver nanoparticles using aberration-corrected transmission electron microscope (TEM) imaging and monochromated scanning TEM electron energy-loss spectroscopy (EELS). This technique allows direct correlation between a particle's geometry and its plasmon resonance. As the nanoparticle diameter decreases from 20 nanometres to less than two nanometres, the plasmon resonance shifts to higher energy by 0.5 electronvolts, a substantial deviation from classical predictions. We present an analytical quantum mechanical model that describes this shift due to a change in particle permittivity. Our results highlight the quantum plasmonic properties of small metallic nanospheres, with direct application to understanding and exploiting catalytically active and biologically relevant nanoparticles.     

人工表面等离激元馈电的宽带低旁瓣全角度波束扫描天线

提出了一款人工表面等离激元馈电的宽带全角度低旁瓣波束扫描天线。采用人工表面等离激元馈电卵圆形辐射贴片阵列和对跖Vivaldi辐射器，在快波区激发高次谐波实现漏波辐射，在慢波区呈现低损耗能量传输效果激励对跖Vivaldi的端射模式，从而实现了在4~12 GHz（相对带宽100%）内全角度（180°）波束扫描。进一步，通过对卵圆形辐射贴片进行锥形排布降低了天线在漏波辐射时的旁瓣水平。仿真结果表明，所设计的全角度波束扫描天线能够在4~12 GHz内旁瓣水平均在-10 dB以下。该天线在雷达探测、目标跟踪等应用场景具有重要应用潜力。