【摘要】：光與物質(zhì)相互作用的研究以及實現(xiàn)對光的操控一直是基礎(chǔ)科學(xué)中至關(guān)重要的研究課題。在入射光的激發(fā)下,金屬表面的自由電子發(fā)生集體諧振運動,稱為表面等離激元,它會導(dǎo)致特定頻率的入射光子在結(jié)構(gòu)表面強烈地吸收或散射,可以將電磁場聚焦到亞波長尺度范圍,引起強烈的近場局域,大大增強了光與物質(zhì)相互作用。隨著微納制程工藝的不斷發(fā)展和升級,人們可以按照意圖設(shè)計和組裝出各種周期性排列的亞波長結(jié)構(gòu)。這種新型的超材料能夠突破傳統(tǒng)的自然材料的限制,獲取任意的電磁性質(zhì)。將表面等離激元與超材料結(jié)構(gòu)結(jié)合起來,稱為表面等離激元超材料,賦予了人們對光無以倫比的操控能力。人們利用金屬或者表現(xiàn)出金屬性的材料,通過巧妙地設(shè)計和組裝表面等離激元超材料,可以克服衍射極限,在亞波長尺度上實現(xiàn)光的產(chǎn)生、傳輸、調(diào)制和探測。因此,表面等離激元超材料為微納光子器件的發(fā)展帶來了革命性的突破,是現(xiàn)代光學(xué)研究的前沿?zé)狳c。在本文中,通過理論分析與數(shù)值仿真,我們研究了三類不同的表面等離激元超材料,包括金屬表面等離激元超材料、石墨烯表面等離激元超材料和金屬-石墨烯混合表面等離激元超材料,并將他們分別應(yīng)用到折射率傳感、光吸收增強與調(diào)控以及類電磁誘導(dǎo)透明現(xiàn)象光調(diào)制上。主要的研究工作成果如下:一、我們利用組合的金屬裂口環(huán)超材料設(shè)計了一種多波長無偏振依賴性的表面等離激元折射率傳感器。根據(jù)裂口環(huán)共振器的物理對稱性和等離激元共振模式的內(nèi)在關(guān)聯(lián),我們將四個全同的金屬裂口環(huán)共振器集成在一個結(jié)構(gòu)單元,通過旋轉(zhuǎn)和組合,成功地實現(xiàn)了奇模式和偶模式共振的同時激發(fā)。整體結(jié)構(gòu)具有轉(zhuǎn)動對稱性,因此擺脫了偏振依賴性。我們詳細(xì)分析了幾何參數(shù)的改變對超材料結(jié)構(gòu)等離激元共振模式的影響,將其工作波長覆蓋到整個近紅外光譜區(qū)域。數(shù)值仿真驗證,環(huán)境折射率的改變能夠引起奇模式和偶模式共振明顯的紅移效應(yīng),分別獲得1000 nm/RIU和500 nm/RIU的傳感靈敏度。二、我們利用多種石墨烯超材料設(shè)計了一系列主動可調(diào)的表面等離激元增強光吸收器件。(1)我們將石墨烯圓環(huán)超材料與光吸收材料(包括塊體半導(dǎo)體材料和二維材料)集成,構(gòu)成混合的周期性陣列結(jié)構(gòu)。利用石墨烯表面等離激元共振把光限制在近場,增強光與物質(zhì)相互作用,將這些光吸收材料中的吸收效果提高一個數(shù)量級以上。與過去的金屬表面等離激元增強光吸收器件相比,石墨烯等離激元具有主動可調(diào)性,通過改變其費米能級,我們可以動態(tài)調(diào)控共振吸收的工作波長和性能效果。作為延伸,我們引入更多的同心石墨烯圓環(huán)到結(jié)構(gòu)單元,從而實現(xiàn)了多波長的光限制和吸收增強的調(diào)控。(2)在此基礎(chǔ)上,我們設(shè)計了一個具有超薄半導(dǎo)體材料層的石墨烯等離激元增強光電傳感器模型。我們將石墨烯十字叉超材料與半導(dǎo)體材料集成,通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)獲得了更大幅度的吸收增強效果。表面等離激元共振引起的強烈電場增強顯著放大了光響應(yīng),導(dǎo)致相當(dāng)高的光生載流子產(chǎn)生率,與金屬等離激元增強光電傳感器模型中的性能表現(xiàn)相當(dāng)。(3)我們進一步探索了石墨烯互補超材料結(jié)構(gòu),將石墨烯圓孔超材料與半導(dǎo)體材料集成,同樣可以實現(xiàn)一個數(shù)量級以上吸收增強效果。將各向同性的圓孔改變?yōu)楦飨虍愋缘臋E圓孔,半導(dǎo)體材料中的光吸收增強表現(xiàn)出明顯的偏振選擇性,通過改變石墨烯費米能級,我們可以在特定波長處選擇性吸收TM或者TE入射平面波。三、我們利用多種金屬-石墨烯混合超材料設(shè)計了一系列基于類電磁誘導(dǎo)透明現(xiàn)象的表面等離激元太赫茲光調(diào)制器件。(1)我們將單層石墨烯覆蓋到金屬裂口環(huán)超材料表面,利用石墨烯的高導(dǎo)電性中和裂口處的異種電荷,能夠明顯削弱Fano暗模式共振強度。通過調(diào)節(jié)石墨烯費米能級或者增加石墨烯層數(shù)來改變電導(dǎo)率,我們能夠主動調(diào)制Fano共振的強度。另外,Fano暗模式共振對單層石墨烯超常的敏感性也值得注意,可以應(yīng)用到具有類似物理機制的生物分子傳感檢測中。(2)在此基礎(chǔ)上,我們將單層石墨烯集成到經(jīng)典的金屬條-裂口環(huán)耦合太赫茲超材料中,利用導(dǎo)電的石墨烯中和裂口處的異種電荷,增大暗模式共振器中的損耗,從而削弱w\0模式與暗模式之間的相消干涉。通過調(diào)節(jié)石墨烯費米能級,我們能夠?qū)︸詈铣牧现蓄愲姶耪T導(dǎo)透明現(xiàn)象的共振強度以及伴隨的慢光效應(yīng)實現(xiàn)主動調(diào)制。(3)我們提出一種鏡像對稱的多裂口環(huán)金屬太赫茲共振超材料,其明-暗-暗-明模式耦合能夠產(chǎn)生更為陡峭的類電磁誘導(dǎo)透明現(xiàn)象。將單層石墨烯集成到暗模式裂口環(huán)下方,增大暗模式共振器中的損耗,強烈壓制其與w\0模式共振器之間的相消干涉。通過對石墨烯費米能級的主動調(diào)節(jié),我們實現(xiàn)了對超材料結(jié)構(gòu)中類電磁誘導(dǎo)透明現(xiàn)象的共振強度和慢光時延的完整調(diào)制。與之前的相關(guān)研究工作相比,我們提出的金屬-石墨烯混合表面等離激元超材料中類電磁誘導(dǎo)透明現(xiàn)象的動態(tài)調(diào)制具有更好的性能以及更高的實驗可行性。
【圖文】：

表面等離激元來源于金屬（或者表現(xiàn)出金屬性的摻雜半導(dǎo)體材料、極性材料、二材料等等）表面的自由電子在入射光激發(fā)下，電子運動與入射光電磁場之間互相激發(fā)生的集體諧振運動�？梢耘c晶體中原子集體諧振運動的量子化準(zhǔn)粒子——聲子進類比，表面等離激元恰恰就是金屬表面電子集體諧振運動的準(zhǔn)粒子描述。表面等離元激發(fā)時必然導(dǎo)致特定頻率（能量）的入射光子在金屬表面發(fā)生強烈的共振吸收或散射，可以將電磁場的能量聚焦到一個亞波長尺度的范圍內(nèi)，引起強烈的光場增強應(yīng)，大大增加了光與物質(zhì)相互作用。表面等離激元在多學(xué)科基礎(chǔ)研究和交叉應(yīng)用方都得到了卓越的發(fā)展[6]。根據(jù)傳播性質(zhì)的不同，表面等離激元通�？梢苑譃閮煞N類，即局域表面等離激元共振（Localized surface plasmon resonance, LSPR）和傳播表等離極化激元（Propagating surface plasmon polariton, PSPP），下面我們依次介紹這種表面等離激元的基本原理。.1 局域表面等離激元共振

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。從公式（1-11）和（1-12）可以看到，消光成比例，，而散射截面與金屬納米球半徑的 6 次方成比較小的金屬納米球，共振吸收占主導(dǎo)地位，而對尺度主導(dǎo)地位。 消光、散射和吸收截面是光學(xué)遠(yuǎn)場測量往通過測量截面來獲取局域表面等離激元共振的相關(guān)，上述局域表面等離激元共振公式都是基于靜電模型小于入射光波長0r ，忽略了電場的推遲效應(yīng)和輻
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TB34

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 童廉明;徐紅星;;表面等離激元——機理、應(yīng)用與展望[J];物理;2012年09期

2 姚建銓,路洋,張百鋼,王鵬;THz輻射的研究和應(yīng)用新進展[J];光電子·激光;2005年04期

本文編號：2649656