石墨烯量子点二聚物的等离激元激发

基于含时密度泛函理论,研究了石墨烯量子点二聚物的等离激元激发.当2个石墨烯量子点靠近,若量子点间的间隙较大,通过电容性相互作用时,石墨烯量子点二聚物的低能等离激元共振模式随着间隙的减小发生红移.进一步减小间隙时,由于电子的隧穿,二聚物的等离激元共振模式发生了改变,杂化等离激元共振模式形成.杂化等离激元共振模式随着间隙的减小继续红移.石墨烯量子点二聚物等离激元共振模式的演化规律不依赖于石墨烯量子点的形状.     

线性稠环芳烃连接的石墨烯量子点的等离激元激发

基于含时密度泛函理论,研究线性稠环芳烃连接的石墨烯量子点的等离激元激发.在低能共振区,体系存在2种不同的激发模式.一种激发模式主要位于可见光及近红外光谱区,参与该激发模式的离域化π电子在整个体系中运动;随着线性稠环芳烃链长度的增加,该激发模式发生红移,并且激发强度增大.另一种激发模式主要位于5 e V附近,参与该激发模式的π电子在一个石墨烯量子点中运动,该激发模式基本上不受线性稠环芳烃链长度的影响.此外,线性稠环芳烃连接的石墨烯量子点在近红外光谱区的等离激元激发还依赖于石墨烯量子点的形状.     

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.     

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.     

碳原子链连接的石墨烯量子点的等离激元激发

基于含时密度泛函理论,研究碳原子链连接的石墨烯纳米结构的等离激元激发和等离激元激发诱导的电子输运。结果表明:随着链的增加,在低能共振区,体系的吸收光谱逐渐红移;当碳原子链较长时,体系在近红外、中红外光谱区都有较强的吸收。在红外光谱区,碳原子链连接的石墨烯纳米结构的等离激元共振模式还取决于碳原子链中原子数的奇偶性;在低能光谱区,强度较大的等离激元共振模式诱导的的电流强度也较大。     

基于石墨烯复合薄膜的等离激元传感研究进展

 做为由单层碳原子紧密堆积而成的六边形蜂窝状二维晶体,石墨烯具有高载流子迁移率、良好的生物兼容性和优异的化学稳定性。本文简要综述了石墨烯-金属纳米粒子复合薄膜在表面增强拉曼散射研究进展,以及石墨烯等离激元的激发方式和传感性能。在可见光波段,石墨烯和金属纳米粒子之间的耦合使复合薄膜具有强的光学吸收和局域电场增强,从而使复合薄膜可以作为高灵敏的表面增强拉曼基底。在中红外波段,除可以利用石墨烯微纳结构激发等离激元,还可以对介电基底进行微纳加工利用波导模式激发,使得石墨烯等离激元可能用于折射率传感。讨论了石墨烯基复合薄膜研究过程中面临的机遇和挑战,展望了其在表面增强拉曼和传感方面的应用前景。     

增强GaAs/AlGaAs量子点太阳能电池的设计

随着石油等能源带来的环境污染问题越来越严重,人们对开发清洁、可再生的太阳能的需求也越来越迫切。针对这种现状,设计了一个表面等离激元量子点太阳能电池,它是通过在常规4周期GaAs/AlGaAs量子点太阳能电池的顶端和底端分别引入金属光栅、反射层构成。结果表明,该电池能通过顶端的金属光栅来激发表面等离激元增强透射光,并结合底端的反射作用实现了吸收率的大幅度提升,最大吸收率高达91.44%,同时其量子效率在波长566.9 nm处显示出最大值35.7%。     

法布里-珀罗谐振腔中石墨烯的等离激元光学性质

在法布里-珀罗谐振腔内可以实现电磁波和石墨烯中等离激元的耦合并形成等离极化激元.利用麦克斯韦方程结合边界条件得到了谐振腔中的电磁模式,研究了处于谐振腔中的石墨烯对腔模电磁波的影响,发现在太赫兹频段内,石墨烯的存在对腔模的影响较小.同时,利用麦克斯韦方程得到了谐振腔中石墨烯等离极化激元模式,发现谐振腔中石墨烯等离极化激元模式只能在谐振腔内以相对较大的波矢q存在.     

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．     

表面等离激元调控自发辐射研究进展

表面等离激元可以有效地调控自发辐射体的内量子效率和外量子效率,为发展高效新能源提供了可行的方案。特别是近年来,国内外研究人员将该技术应用到固体发光器件中,取得了许多有价值的研究成果。基于这些研究成果,文章介绍了表面等离激元调控固体发光器件自发辐射的原理和实验进展。     

低维量子系统等离激元介电函数表象变换理论

推导低维量子系统中等离激元介电函数的矩阵表达式，建立了矩阵表达式、张量表达式和傅立叶表达式之间的变换关系.根据有限子带模型,在不同表象下计算量子阱结构和半导体超晶格中等离激元模式的色散关系,并通过数值计算证实了在这3种表象下等离激元介电函数表达式是彼此等价的.     

锑烯纳米结构等离激元的第一性原理研究

利用含时密度泛函理论(time-dependent density functional theory(TDDFT)),研究了锑烯纳米结构表面等离激元的激发特性,并给出了微扰场沿着扶手椅边界和Z字边界激发时锑烯纳米结构的吸收光谱.结果表明沿不同的方向激发,吸收光谱不同.距锑烯纳米结构表面0.9处的能量共振点的电荷密度分布表明,在低能共振区,等离激元共振属于键合二聚体的等离激元模式(BDP).     

平面漏斗形微腔集成的高性能长波红外探测器

为实现量子阱红外光探测器件对垂直于阱结构的入射光吸收,减小模式体积,降低暗电流,提高比探测率D^*,提高红外光探测器件性能,以10.55 μm长波红外光为例,利用等离激元微腔与量子阱材料结合,形成F-P共振,增加GaAs/AlGaAs量子阱层的吸收率和器件的响应率。设计了平面漏斗形等离激元微腔集成的量子阱红外探测器（quantum well infrared photodetector,QWIP）,使用基于有限元数值仿真方法对其进行分析。结果表明：平面漏斗形等离激元微腔集成的QWIP具有较小的光子模式体积和较高的局域场强,光吸收率维持在81%～89%的情况下,可以使探测材料体积减小38%～50%,获得的D^*比一般等离激元微腔集成的QWIP增大10%～15%。     

石墨烯-碳量子点复合材料的电化学性能研究

采用Hummers法和水热法,制备石墨烯和碳量子点溶液作为前驱体,然后通过一步煅烧法制得石墨烯-碳量子点复合材料。借助SEM、UV-Vis、FTIR等手段,对样品的形貌和结构进行表征;利用循环伏安法(CV)、差分脉冲伏安法(DPV)及恒流充放电循环测试等,重点考察了样品的电化学性能。结果表明,在石墨烯表面负载碳量子点可增加材料的比表面积并改善其机械性能,由于活性位点的增加,所制石墨烯-碳量子点复合电极具有较好的可逆性及电化学活性;在检测不同浓度双氧水时,复合电极的灵敏度为纯石墨烯电极的1.4倍左右;石墨烯-碳量子点复合材料作为锂离子电池负极使用时,与纯石墨烯材料相比具有更好的循环稳定性,且容量保持率提高了1.67倍。     

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.     

石墨烯量子点的制备及其在食品安全领域的应用研究

石墨烯量子点(GQDs)是一种新型的荧光碳纳米材料,它不仅具备了石墨烯的优良特性,而且因量子点的量子限域效应和边界效应也具备了光致发光等石墨烯所不具备的性质,而且在细胞毒性、生物相容性等方面也有更好的表现.近年来,石墨烯量子点的应用领域已由材料学逐渐扩展到了医学、药学、生物学、环境学乃至食品安全领域.主要阐述了石墨烯量子点的制备方法以及在食品安全领域的应用前景.制备方法主要包括自上而下法(Top-down)和自下而上法(Bottom-up),其中自上而下法(Top-down)主要包括化学剥离碳纤维法、水热法和电化学法等;自下而上法(Bottom-up)主要包括溶液化学法、超声波法和微波法等.随着GQDs在各领域应用的不断深化,对其形貌和尺寸控制也提出了更高的要求,对合成方法中能精确控制GQDs形貌和尺寸的方法进行了介绍,并对各种方法的优缺点进行了对比.石墨烯量子点作为一种良好的荧光探针,在食品安全检测、重金属离子检测、生物毒素检测、医学指标检测和药物检测等领域具有非常广阔的应用前景.     

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...     

凹槽结构导致的表面等离激元与波导模式转换特性研究

理论研究了在电介质覆盖金属波导体系中,表面缺陷结构导致的表面等离激元模式与波导模式间的相互耦合机制。在电介质层表面引入一维凹槽结构,利用凹槽结构对入射光波的散射,可以实现表面等离激元模式与波导模式间的相互转换。模式转换效应会导致在结构透射谱上出现新的能带。通过广义Fresnel公式解释了该附加能带的形成机制。利用该模式转换特性,可以实现表面等离激元模式和波导模式的方向性激发。这些结果在二维光子学器件,如布拉格反射镜、分束器和光互连中有着潜在的应用。     

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。     

表面等离激元光栅在高灵敏红外探测器中的应用

金属中大量自由电子可以与电磁波耦合在金属表面形成表面等离激元(Surface Plasmon Polariton, SPP),能够将光辐射能量有效耦合并束缚在金属表面,在近场范围内形成显著的场增强效应.基于金属周期性结构形成的表面等离激元光栅在利用近场场增强效应的同时,可以灵活设计共振波长,因而在高灵敏红外探测器研发中得到广泛应用.采用半导体双量子阱(Quantum Well, QW)结构的电荷敏感型红外光晶体管探测器(Charge Sensitive Infrared Phototransistor, CSIP)是一种新型的高灵敏度红外探测器,它利用光敏浮栅(Photo-Gating)效应实现红外光电转换过程的倍增效应,因而具有波长可调、灵敏度高、光响应率高等优点.本文综述了表面等离激元光栅在CSIP红外探测器件中的设计和应用的研究进展,阐述金属孔阵列光栅的光耦合物理机制和场增强效果、偏振转换效率等特性,通过设计优化的表面等离激元耦合结构,提升CSIP器件光耦合量子效率,然后阐述了CSIP红外光探测器的生长结构、工艺流程,结合荧光谱测试、电流-电压(Current-Voltage, I-V)测试、慢步进扫描光谱测试等技术展示CSIP红外光探测器光电探测性能.最后进一步展望了SPP耦合CSIP高灵敏红外探测器的未来发展和应用研究趋势.