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。     

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.     

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.     

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.     

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.     

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).     

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.     

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。     

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．     

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.     

薄膜厚度对三元混晶四层系统的表面和界面声子极化激元的影响

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,研究了薄膜厚度对真空/极性二元晶体薄膜/极性三元混晶薄膜/半无限大极性二元半导体衬底构成的四层异质结系统的表面和界面声子极化激元的影响,以GaAs/Al0.4Ga0.6As四层异质结系统为例,获得了表面和界面声子极化激元模的频率随薄膜厚度的变化关系.结果表明:三元混晶四层异质结系统中存在七支表面和界面声子极化激元模,且当薄膜厚度发生变化时,只对位于其表面或界面处的极化激元模有影响,对其余的极化激元模几乎没有任何影响.     

纳米银局域表面等离激元共振——环境传感、分子识别及光物质相互作用增强

基于利用磁控溅射方法制备的纳米银颗粒,研究了纳米银颗粒局域表面等离激元对介质环境的敏感程度,作为媒介提高光与物质相互作用的可能性.研究结果表明:传感灵敏度最大可达到约931 nm/RIU,石墨烯拉曼信号可提高约40倍,可见光吸收提高约10倍.该研究表明制备简单、光学响应灵敏的纳米银颗粒在传感、光电探测及分子识别等领域具有潜在的应用价值.     

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.     

金属纳米颗粒增强太阳能电池光吸收效应研究

采用Mie理论,对球形纳米金属颗粒进行数值计算,研究了金属纳米颗粒在发生表面等离激元共振时表现出的散射效应.改变金属材料类型或者颗粒尺寸大小,金属纳米球的散射效率均发生不同程度的变化.这一现象表明:金属纳米颗粒的散射效应受材料类型和尺寸大小的影响显著.计算结果表明,半径为100nm的Ag纳米颗粒在发生表面等离激元共振时,散射效率最高,吸收效应最弱.     

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。     

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.     

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.     

表面等离子体激元增强荧光辐射的机理研究

荧光光谱技术在研究物质分子结构及物质相互作用动力学过程中具有重要应用,基于荧光的化学或生物传感器得到人们广泛研究,如何提高基于荧光传感器的灵敏度是一个重要研究课题,表面等离子体激元可有效增强荧光分子的发光强度,因而从物理机制上研究表面等离子体激元增强荧光的内函具有重要意义。本文在讨论荧光辐射基本原理的基础上,论述了基于金属的表面等离子体激元增强荧光的物理机制,主要有荧光共振能量转移、表面等离子体激元共振增强荧光辐射理论和RP模型等三种理论模型。     

Ag@Au双金属纳米颗粒的制备和表征

采用种子生长法制备了银纳米颗粒,通过电置换反应将单金属银颗粒转变为中空金银双金属纳米颗粒.电镜表征及吸收光谱的结果表明,通过控制种子溶液的加入量、超声时间和离心次数等条件,能够有效调控金属纳米颗粒的尺寸以及局域表面等离激元的共振峰位与目标分子匹配;进而可以利用配体交换反应在金属纳米颗粒表面包裹TDBC分子薄膜,实现表面等离激元-分子激子的强耦合.     

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.