表面等离激元超材料的研究与应用

发布时间：2020-05-05 06:03

【摘要】：光与物质相互作用的研究以及实现对光的操控一直是基础科学中至关重要的研究课题。在入射光的激发下,金属表面的自由电子发生集体谐振运动,称为表面等离激元,它会导致特定频率的入射光子在结构表面强烈地吸收或散射,可以将电磁场聚焦到亚波长尺度范围,引起强烈的近场局域,大大增强了光与物质相互作用。随着微纳制程工艺的不断发展和升级,人们可以按照意图设计和组装出各种周期性排列的亚波长结构。这种新型的超材料能够突破传统的自然材料的限制,获取任意的电磁性质。将表面等离激元与超材料结构结合起来,称为表面等离激元超材料,赋予了人们对光无以伦比的操控能力。人们利用金属或者表现出金属性的材料,通过巧妙地设计和组装表面等离激元超材料,可以克服衍射极限,在亚波长尺度上实现光的产生、传输、调制和探测。因此,表面等离激元超材料为微纳光子器件的发展带来了革命性的突破,是现代光学研究的前沿热点。在本文中,通过理论分析与数值仿真,我们研究了三类不同的表面等离激元超材料,包括金属表面等离激元超材料、石墨烯表面等离激元超材料和金属-石墨烯混合表面等离激元超材料,并将他们分别应用到折射率传感、光吸收增强与调控以及类电磁诱导透明现象光调制上。主要的研究工作成果如下:一、我们利用组合的金属裂口环超材料设计了一种多波长无偏振依赖性的表面等离激元折射率传感器。根据裂口环共振器的物理对称性和等离激元共振模式的内在关联,我们将四个全同的金属裂口环共振器集成在一个结构单元,通过旋转和组合,成功地实现了奇模式和偶模式共振的同时激发。整体结构具有转动对称性,因此摆脱了偏振依赖性。我们详细分析了几何参数的改变对超材料结构等离激元共振模式的影响,将其工作波长覆盖到整个近红外光谱区域。数值仿真验证,环境折射率的改变能够引起奇模式和偶模式共振明显的红移效应,分别获得1000 nm/RIU和500 nm/RIU的传感灵敏度。二、我们利用多种石墨烯超材料设计了一系列主动可调的表面等离激元增强光吸收器件。(1)我们将石墨烯圆环超材料与光吸收材料(包括块体半导体材料和二维材料)集成,构成混合的周期性阵列结构。利用石墨烯表面等离激元共振把光限制在近场,增强光与物质相互作用,将这些光吸收材料中的吸收效果提高一个数量级以上。与过去的金属表面等离激元增强光吸收器件相比,石墨烯等离激元具有主动可调性,通过改变其费米能级,我们可以动态调控共振吸收的工作波长和性能效果。作为延伸,我们引入更多的同心石墨烯圆环到结构单元,从而实现了多波长的光限制和吸收增强的调控。(2)在此基础上,我们设计了一个具有超薄半导体材料层的石墨烯等离激元增强光电传感器模型。我们将石墨烯十字叉超材料与半导体材料集成,通过优化结构获得了更大幅度的吸收增强效果。表面等离激元共振引起的强烈电场增强显著放大了光响应,导致相当高的光生载流子产生率,与金属等离激元增强光电传感器模型中的性能表现相当。(3)我们进一步探索了石墨烯互补超材料结构,将石墨烯圆孔超材料与半导体材料集成,同样可以实现一个数量级以上吸收增强效果。将各向同性的圆孔改变为各向异性的椭圆孔,半导体材料中的光吸收增强表现出明显的偏振选择性,通过改变石墨烯费米能级,我们可以在特定波长处选择性吸收TM或者TE入射平面波。三、我们利用多种金属-石墨烯混合超材料设计了一系列基于类电磁诱导透明现象的表面等离激元太赫兹光调制器件。(1)我们将单层石墨烯覆盖到金属裂口环超材料表面,利用石墨烯的高导电性中和裂口处的异种电荷,能够明显削弱Fano暗模式共振强度。通过调节石墨烯费米能级或者增加石墨烯层数来改变电导率,我们能够主动调制Fano共振的强度。另外,Fano暗模式共振对单层石墨烯超常的敏感性也值得注意,可以应用到具有类似物理机制的生物分子传感检测中。(2)在此基础上,我们将单层石墨烯集成到经典的金属条-裂口环耦合太赫兹超材料中,利用导电的石墨烯中和裂口处的异种电荷,增大暗模式共振器中的损耗,从而削弱w\0模式与暗模式之间的相消干涉。通过调节石墨烯费米能级,我们能够对耦合超材料中类电磁诱导透明现象的共振强度以及伴随的慢光效应实现主动调制。(3)我们提出一种镜像对称的多裂口环金属太赫兹共振超材料,其明-暗-暗-明模式耦合能够产生更为陡峭的类电磁诱导透明现象。将单层石墨烯集成到暗模式裂口环下方,增大暗模式共振器中的损耗,强烈压制其与w\0模式共振器之间的相消干涉。通过对石墨烯费米能级的主动调节,我们实现了对超材料结构中类电磁诱导透明现象的共振强度和慢光时延的完整调制。与之前的相关研究工作相比,我们提出的金属-石墨烯混合表面等离激元超材料中类电磁诱导透明现象的动态调制具有更好的性能以及更高的实验可行性。
【图文】：

表面等离激元来源于金属（或者表现出金属性的掺杂半导体材料、极性材料、二材料等等）表面的自由电子在入射光激发下，电子运动与入射光电磁场之间互相激发生的集体谐振运动。可以与晶体中原子集体谐振运动的量子化准粒子——声子进类比，表面等离激元恰恰就是金属表面电子集体谐振运动的准粒子描述。表面等离元激发时必然导致特定频率（能量）的入射光子在金属表面发生强烈的共振吸收或散射，可以将电磁场的能量聚焦到一个亚波长尺度的范围内，引起强烈的光场增强应，大大增加了光与物质相互作用。表面等离激元在多学科基础研究和交叉应用方都得到了卓越的发展[6]。根据传播性质的不同，表面等离激元通常可以分为两种类，即局域表面等离激元共振（Localized surface plasmon resonance, LSPR）和传播表等离极化激元（Propagating surface plasmon polariton, PSPP），下面我们依次介绍这种表面等离激元的基本原理。.1 局域表面等离激元共振

面302Im( ) 4 Im( )2m dextm dC k kr 42 4 6 2082|6 3|2| |m dscatm dC rkk abs ext scatC C C波矢量。从公式（1-11）和（1-12）可以看到，消光成比例，，而散射截面与金属纳米球半径的 6 次方成比较小的金属纳米球，共振吸收占主导地位，而对尺度主导地位。 消光、散射和吸收截面是光学远场测量往通过测量截面来获取局域表面等离激元共振的相关，上述局域表面等离激元共振公式都是基于静电模型小于入射光波长0r ，忽略了电场的推迟效应和辐
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB34

【参考文献】

相关期刊论文 前2条

1 童廉明;徐红星;;表面等离激元——机理、应用与展望[J];物理;2012年09期

2 姚建铨,路洋,张百钢,王鹏;THz辐射的研究和应用新进展[J];光电子·激光;2005年04期

本文编号：2649656