【摘 要】
:
当光被束缚在纳米尺度时,将表现出高度的波长压缩和局域场增强效应。利用具有相反符号介电常数的介质界面可以产生和维持混合光物质模式即极化激元。二维范德华材料可支持准粒子-半光和半物质激发,产生范德华极化激元,如石墨烯(Gr)表面等离激元,六方氮化硼(hBN)双曲声子极化激元,过渡金属硫族化合物激子极化激元等。这类范德华极化激元具有低损耗、长寿命、强光场压缩等优异特性,是实现在纳米尺度上对光的操控的重要
论文部分内容阅读
当光被束缚在纳米尺度时,将表现出高度的波长压缩和局域场增强效应。利用具有相反符号介电常数的介质界面可以产生和维持混合光物质模式即极化激元。二维范德华材料可支持准粒子-半光和半物质激发,产生范德华极化激元,如石墨烯(Gr)表面等离激元,六方氮化硼(hBN)双曲声子极化激元,过渡金属硫族化合物激子极化激元等。这类范德华极化激元具有低损耗、长寿命、强光场压缩等优异特性,是实现在纳米尺度上对光的操控的重要载体,在量子物理、纳米光子学、生物医学等领域有着重要的科学意义和实用价值。然而,如何利用二维范德华材料和结构在纳米尺度上对光的传播、吸收和拓扑量子态等进行动态调控,仍是该领域亟待解决的关键问题。本文围绕中红外波段响应的范德华材料——Gr,hBN,α相三氧化钼(α-MoO3)及其异质结的极化激元及其动态调控问题开展研究。首先论述了范德华极化激元学的发展现状、研究背景和研究意义,阐明了石墨烯等离激元、范德华极性介质声子极化激元的基本属性及其产生条件。总结了范德华材料极化激元的激发方式与调控方式,利用时域有限差分方法、传输矩阵法和有效介质理论等分析了范德华材料极化激元的界面传输特性,并探索基于实验制备的相关样品,利用散射型扫描近场光学显微镜实现范德华极化激元的近场成像,为二维材料与纳米光操控器件的设计与开发提供理论参考。本文主要的研究内容如下:1.Gr/hBN横向异质结双曲超表面的构建与动态调控。我们分别设计了石墨烯双曲超表面、hBN双曲超表面、Gr/hBN横向异质结双曲超表面三种人工超表面,并利用时域有限差分方法(FDTD)进行理论数值模拟。利用有效介质理论与传输矩阵法详细分析三种双曲超表面的结构配置与色散关系,研究石墨烯化学势对石墨烯双曲超表面和Gr/hBN异质结超表面的色散调控。利用石墨烯等离激元与六方氮化硼双曲声子极化激元相耦合的方式实现对石墨烯/氮化硼横向异质结双曲超表面的近场动态调控,发现该异质结双曲超表面可以兼具六方氮化硼和石墨烯双曲超表面的特性,表现出较大的光场可调性,具体包括极化模式的拓扑跃迁、单向极化波传播和局域态密度增强等。值得注意的是,该异质结双曲超表面在hBN剩余射线带外仍表现出双曲色散,其极化激元能以与hBN极化激元传播方向正交的方向传播。2.天然范德华双曲材料α-MoO3及其异质结的极化激元的传播与调控。我们利用FDTD软件对α-MoO3极性晶体的声子极化激元传播特性进行理论模拟,通过与石墨烯、hBN、4H-Si C等材料构筑异质结,研究α-MoO3声子极化激元的传播特性与调控方法。理论上通过改变石墨烯化学势实现平面内光场从双曲色散到椭圆色散的拓扑变换。同时,我们还研究了单层石墨烯的调控极限,发现单层石墨烯可以对厚度150 nm以下的α-MoO3声子极化激元进行有效调控。在α-MoO3与hBN、4H-Si C等极性材料结合形成异质结的模型中,我们突破了α-MoO3极性晶体的结构属性限制,在原本α-MoO3极化激元传播禁止的方向上实现了双曲声子极化激元的传播。基于实验制备的α-MoO3及其异质结样品,利用散射型扫描近场光学显微镜在实空间观察到了α-MoO3及其异质结的极化激元传播干涉条纹。综上,本论文主要对中红外波段响应的范德华材料极化激元的性质及界面传播特性进行研究,采用了折射光学、超光学和基底工程等界面光学调控技术对该类范德华极化激元进行调控,实现了在纳米尺度上对范德华极化激元的精确控制,不仅发现了许多新的现象,而且揭示了许多有价值的应用,包括纳米成像、传感、片上光学器件集成的新途径,以及未来几年纳米光子学领域可能出现的其他应用。
其他文献
随着工业化水平的不断发展,传统能源储备量的下降和环境污染的加剧成为全球可持续发展的两个主要障碍。而半导体光催化技术在治理环境污染与生产清洁能源等方面的出色表现被认为是解决这一难题的重要方案之一。研究表明,优秀的光催化剂应该具备以下几点:高效的光吸收效率、光生电子空穴对的分离效率以及转换效率等等。大量的研究表明,单一组分的半导体很难同时达到以上几点的要求,于是,多元复合光催化剂成为科学界的研究热点。
目前,石油、煤炭、天然气等化石能源日益枯竭,且伴随着化石能源的燃烧带来了严重的环境污染以及能源的浪费问题,一直困扰着人类。开发热电材料为解决环境污染以及能源的浪费提供了一种新的方法。热电材料能直接将废热转化为电能,而受到了越来越多的关注。一方面热电材料可制备成可穿戴柔性热电器件,它们工作在300-500 K的温度范围内;另一方面热电材料可制备成热电发电机,工作在500-700 K温度范围内,有效的
随着超快光学的快速发展,超快非线性光学材料已然成为非线性光学领域的一个重要发展方向。石墨烯作为一种性能优异的二维材料,不仅具有宽波段响应,高透射率等线性光学特性,也表现出诸多特殊的非线性光学性质,如可饱和吸收、光克尔、光热效应等。然而,超薄的结构属性也抑制了石墨烯薄膜的非线性光学效应,限制了其实际应用。石墨烯表面的功能化能够为石墨烯引入新的光学增强效应,拓展其非线性光学应用。因此,本论文以功能化石
有机-无机杂化铅卤钙钛矿由于其具有直接带隙、高光吸收系数、长载流子扩散长度、高载流子迁移率等优异的物理性能被视为新一代光伏器件光吸收层的候选材料,并已成功应用于各种光电器件,然而铅的毒性却极大地阻碍了其广泛应用,因此有必要开发无铅钙钛矿材料以生产环境友好型钙钛矿器件,其中卤化锡钙钛矿是实现高性能无铅钙钛矿光电器件的主要途径。与铅基钙钛矿相比,锡基钙钛矿具有更小的带隙、更低的激子结合能和更高的载流子
随着科学技术的发展,世界信息产业迈入物联网(Io T)和人工智能时代,电子设备逐渐趋于多功能化、智能化、小型化和便携化。由大量传感器单元构成的网络衔接是构建物联网的基础,而如何为数量庞大的微型电子设备供电已成为阻碍电子信息技术进一步发展的关键问题。然而,使用传统的化学电池作为能量供应装置不仅会带来严重的环境污染,而且面临着回收和管理的难题,因此发展新型可持续的绿色能源已迫在眉睫。摩擦起电是自然界和
人工智能正逐步成为新一轮科技革命的核心驱动力量,目标检测作为人工智能领域的重要研究内容之一,其检测性能会直接影响到后续进一步的处理任务,如目标追踪、姿态识别、自动驾驶等。基于深度神经网络的目标检测算法可以自动提取图像中的多种目标特征,并快速精确地对目标进行定位和识别,是目前目标检测领域主流的研究方向。但是由于图像拍摄的角度、距离、复杂场景以及光照强弱等影响,图像中难免会出现小目标和遮挡目标,而小目
由于化石燃料的燃烧造成的资源短缺和环境污染,使得人类对清洁能源的需求尤为迫切。热电材料作为一种清洁、安全、稳定、无污染的绿色能源材料,因其能够实现热能与电能的直接相互转换而备受关注。Bi2Te3基材料是一种近室温热电材料,也是目前唯一商业化应用的热电材料。本文主要研究了Sb合金化的P型Bi0.46Sb1.54Te3材料,由于它在近室温附近的ZT值约为1.0,在热电制冷和热电发电领域都具有广阔的应用
二维过渡金属硫属化合物(Transition Metal Dichalcogenides,TMDCs)是继石墨烯之后兴起的一类新型范德华层状材料。二维碲化亚铜(Cu2Te)是IB族元素硫属化合物的重要成员之一,具有丰富独特的晶体结构、高导电性和化学稳定性等优点,在热电、绿色能源、分子光谱分析等领域有着广阔的应用前景。目前二维Cu2Te材料的制备主要是通过分子束外延法、磁控溅射法和液相合成法实现,所
近些年来,香菇产量的不断增长以及对香菇产业技术需求的不断增加对现代香菇食品加工行业提出越来越高的要求。自动化剪柄剪根可以有效缩短香菇食品加工的前期准备时间,减少香菇贮藏时间从而为消费者提供更好的食用口感。针对剪柄剪根生产线上的香菇姿态一致问题,本文提出了使用气流排列香菇的新方法,可以实现香菇菌柄朝向一致的要求,以提高剪柄剪根的工作效率。论文将围绕气流排列香菇装置的设计、香菇的动力学建模、动力学模型
使用有机电解液的锂离子电池引发的安全事故是一个亟待解决的问题。科研人员提出的全固态电池被认为是解决锂离子电池安全隐患的理想方案。全固态电池的整个体系均是由阻燃性的固体材料组成,具有更高的安全性能。但是与常规液态锂电池相比,全固态锂电池的电化学性能和界面问题等仍尚未达到可以商业化标准。而作为液态有机电解质的有效替代品,固态电解质是下一代高性能储能装置的关键材料。因此,对固态电解质的研究与开发是重要研