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物理学院王牧教授和彭茹雯教授研究组成功实现

发布时间:2019-12-01 11:00编辑:产品评测浏览(53)

    物理学院王牧教授和彭茹雯教授研究组与Argonne National Laboratory黄先荣博士合作,将无序结构进行工程化设计,成功实现了光频等离激元的安德森局域化,他们题为“Strong Localization of Surface Plasmon Polaritons with Engineered Disorder”的论文最近发表于Nano Letters 第18卷,第1896-1902页(https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.7b05191)。

    表面等离激元光子学(Plasmonics)在现代光电器件的发展中起到日益增强的重要应用,可望用于提高电子器件的运算速度及克服光子器件的尺寸瓶颈。表面等离激元(Surface Plasmons)是由材料体系费米面附近电子跃迁所形成的特殊电磁场行为,表现为金属、介质界面电子的集体振荡,具有电磁场增强效应、热吸收效应等,可应用于传统纳米尺度光电子器件,并有效增强其光电特性。

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    北京大学物理学院朱星-方哲宇课题组,依托人工微结构和介观物理国家重点实验室,从2006年起,系统研究了表面等离激元在金属纳米结构中的聚焦增强(ACS Nano 2010,4,75)、相位调制(Nano Lett 2011,11,893)、法诺共振(Nano Lett 2011,11,4475)等基本特性,并利用纳米光学天线和经典传输线理论,实现了表面等离激元增强波导(Nano Lett. 2011,11,1676),并为未来纳米光学回路的构建奠定了实验和理论基础。以上工作分别被Nature出版集团的NPG Asia Mater.,德国Nanowerk,国内科学网等学术、新闻媒体进行了特色推荐及报导。

    图一、无序光栅结构的扫描电镜图像以及远场光学测量系统的示意图。

    最近方哲宇百人计划研究员和朱星教授应国际著名期刊《先进材料》邀请,发表了有关表面等离激元光子学研究进展的综述文章(Plasmonics in Nanostructures, Advanced Materials, doi:10.1002/adma.201301203),对课题组和国际表面等离激元光子学的最新进展进行了回顾和评述。

    自然界大部分物质具有无序结构,波在无序系统中的传播问题是凝聚态物理学的重要课题。1958年安德森(P. W. Anderson) 提出电子在无序系统中会出现局域化现象,并且会导致导体转变为绝缘体,这一现象后来被称为安德森局域化。由于安德森局域化来自无序系统中波的特征,因此这一现象可以推广到其它的各类波,比如电磁波、声波、物质波等。南京大学王牧教授和彭茹雯教授研究组自1998年以来对人工微结构系统中光子和声子的安德森局域化现象进行了持续深入的研究,实现了广义准周期系统中光子和声子的安德森局域化,发现了人工微结构系统中电子、光子和声子的局域与退局域转变,探讨了该效应的光电应用等等。这一系列工作先后发表在 Physical Review B 和 Applied Physics Letters 等杂志上 (PRB 57, 1544; PRB 67, 205209;PRB 72, 214301;APL 89, 153114;PRB 75, 165117;APL 93, 011908;PRB 91, 045111等)。

    2012年初,该课题组和美国、西班牙等研究学者合作,共同研究了石墨烯表面等离激元学( Graphene Plasmonics),是该学术领域最早的研究者之一,研究内容包括利用金属纳米天线实现石墨烯增强光电探测(Nano Lett. 2012, 12, 3808; Nature Comm. 2013, 4, 1643),及利用表面等离激元在衰减过程中产生的“热电子”实现对石墨烯的有效电掺杂过程(ACS Nano 2012, 6, 10222)。更为重要的是课题组还发现石墨烯作为一种半金属,其本身的载流子浓度也能激发局域表面等离激元共振,并可以通过外加门电压实现调控(ACS Nano 2013,7,2388 期刊封面),上述工作被Science、Nature Physics等学术期刊做重点评述,评论学者认为课题组开创了“Graphene Plasmonics”这个新的研究领域,相关工作同时也被美国C&E News、德国Nanowerk,国内科学网等新闻媒体进行报导,一年内引用及评论已近百次。

    另一方面,表面等离激元作为一种局域在金属与介质界面上的电子集体振荡,受到了人们的广泛关注。实现表面等离激元的安德森局域化可以将电磁场局域在更小的空间,实现更好的场局域和场增强效果,可应用于实现纳米激光器、超高分辨成像等。然而由于光频等离激元在传播过程中损耗相当大,因而很难在实验上实现并观测到光频等离激元的安德森局域化现象。

    表面等离激元除了有散射增强效应之外,还有很重要的热吸收效应,在生物传感、药物输送、癌细胞杀灭、细菌消毒、废水蒸馏等方面已有很多的应用。近期,课题组首次结合利用暗场显微术和拉曼显微术,研究了直径为100nm的单个金属球的表面温度,以及在水环境中产生纳米气泡并最终形成蒸汽的过程(Nano Lett. 2013, 13, 1736),该研究对表面等离激元高温杀毒有直接的指导意义,为未来该研究方向确定了基本实验参数和标准。该工作发表后即被IOP出版集团的Nanotechweb网站做重点评述和推荐。

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