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聲子極化激元是極性材料中晶格振動與光場之間的強(qiáng)耦合，有望應(yīng)用在低損耗納米光學(xué)元器件中。相關(guān)的理論研究由黃昆先生于上世紀(jì)五十年代提出，目前已經(jīng)較為成熟。但是實驗測量表面聲子極化激元直到近年才有較大的進(jìn)展，主要是因為表面聲子極化激元的測量同時需要高的空間分辨率和能量分辨率。目前測量表面聲子極化激元的主要方法為近場光學(xué)方法（s-SNOM），該方法可以在中紅外和太赫茲區(qū)間對聲子極化激元進(jìn)行很好的探測。但在遠(yuǎn)紅外區(qū)間，由于目前缺少合適的遠(yuǎn)紅外激光光源和探測器，相關(guān)材料體系的表面聲子極化激元的研究受到很大限制。 近日，北京大學(xué)物理學(xué)院2016級本科生亓瑞時和王任飛利用掃描透射電子顯微鏡的電子能量損失譜，對ZnO納米結(jié)構(gòu)中的遠(yuǎn)紅外表面聲子極化激元進(jìn)行了細(xì)致的探測。通過在納米尺度上測量納米線、納米片不同空間位置的電子能量損失，探究了表面聲子極化激元的性質(zhì)，得到了表面聲子極化激元的色散關(guān)系，并研究了其尺寸效應(yīng)、幾何效應(yīng)等。圖1. 左：利用電子束激發(fā)和探測納米線表面聲子極化激元。右：測量得到的色散關(guān)系。 利用電子顯微鏡中的電子束來激發(fā)和探測聲子極化激元具有很多的優(yōu)點，包括（1）電子顯微鏡方法具有亞埃的空間分辨率；（2）電子激發(fā)具有更高的效率（電子與材料相互作用的散射截面更大）；（3）電子能激發(fā)一些非光學(xué)活性的模式；（4）電子能量損失譜能得到高q（波矢）值下的信息；（5）電子能量損失譜具有很寬的激發(fā)、測量窗口，原則上可以測量從meV量級的振動譜信號至keV量級的芯電子激發(fā)譜信號。因此，電子能量損失譜有望極大地推動包括表面聲子極化激元在內(nèi)的相關(guān)實驗研究。 該工作于2019年7月19日在線發(fā)表于學(xué)術(shù)期刊Nano Letters（DOI:10.1021/acs.nanolett.9b01350），第一作者為北京大學(xué)物理學(xué)院2016級本科生亓瑞時、王任飛，指導(dǎo)老師為量子材料科學(xué)中心和電子顯微鏡實驗室的高鵬研究員。該項研究得到國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、量子物質(zhì)科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心等基金的支持。 論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.9b01350

利用了碳納米管在電驅(qū)動下優(yōu)異的光學(xué)性能和極小的直徑，將碳納米管電子學(xué)器件與表面等離激元條形波導(dǎo)集成在一起，實現(xiàn)了集成表面等離激元電驅(qū)動源、表面等離激元條形波導(dǎo)和表面等離激元近場探測器的表面等離激元互聯(lián)器。

本發(fā)明公開了一種基于人工表面等離激元的同頻雙圓極化漏波天線，包括介質(zhì)基板，覆蓋在該介質(zhì)基板上表面的金屬條帶以及覆蓋在該介質(zhì)基板下表面的金屬地板；金屬條帶包括兩端的帶地共面波導(dǎo)匹配結(jié)構(gòu)和中間的人工表面等離激元結(jié)構(gòu)；人工表面等離激元結(jié)構(gòu)包括上下兩個邊帶，每個邊帶包括若干調(diào)制周期排布的人工表面等離激元單元結(jié)構(gòu)；上下兩個邊帶之間開槽單元結(jié)構(gòu)形成90°的角度，且上下兩個邊帶對稱設(shè)置，并有錯位。本發(fā)明為雙端口漏波天線，不同的端口饋電將產(chǎn)生不同的輻射模式，可在8.6?9.0GHz內(nèi)實現(xiàn)雙

激光在芯片上光互連上的應(yīng)用就直接要求激光器的特征尺度接近電子器件，并且其功耗要小于成熟的電互聯(lián)，應(yīng)約在10飛焦每比特量級。激光器的功耗與其尺度呈正相關(guān)的關(guān)系，10飛焦每比特量級的功耗直接要求激光器的模式體積要小于約0.02個波長立方。

本發(fā)明包括一種多枝樹形等離激元波導(dǎo)復(fù)合納米結(jié)構(gòu)的合成及其光學(xué)操控方法，該合成方法包括多個步驟，每個步驟均可精確控制。樹形納米結(jié)構(gòu)的主干和在其上生長的枝狀納米結(jié)構(gòu)的粗細(xì)均可精確控制，在樹形納米結(jié)構(gòu)表面疊加有殼或無殼的量子點形成量子點復(fù)合樹形納米結(jié)構(gòu)，無殼量子點可用于化學(xué)催化、環(huán)境監(jiān)測、生物傳感等應(yīng)用。光從納米線一端入射，經(jīng)納米線及枝狀結(jié)構(gòu)，激勵有殼量子點發(fā)光，可用于遙感拉曼、新型激光器等應(yīng)用。通過光學(xué)操控可改變?nèi)肷涔獾膹?qiáng)度和偏振態(tài)，控制特定區(qū)域的量子點發(fā)光，可消除散射中心之間干涉衍射效應(yīng)產(chǎn)生的串?dāng)_效應(yīng)，從而可用于亞波長的高分辨率探測。

課題主要通過優(yōu)化設(shè)計及制備高品質(zhì)金屬/介質(zhì)納米復(fù)合結(jié)構(gòu)，研究金屬納米結(jié)構(gòu)及介質(zhì)材料生長的新方法，并研究電子束激勵條件下，納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的等離激元共振模式及能量轉(zhuǎn)移物理機(jī)制，激勵電壓對等離激元共振模式的調(diào)控規(guī)律。

研究團(tuán)隊發(fā)展了獨特的液態(tài)金屬旋涂工藝，制成了金屬鈉薄膜，首次揭示了金屬鈉膜的優(yōu)異光波段等離激元特性。

在傳統(tǒng)貴金屬（金、銀等）之外發(fā)掘出具有高性能等離激元效應(yīng)的非金屬新材料，是當(dāng)前等離激元學(xué)基礎(chǔ)研究及應(yīng)用研發(fā)的一個熱點與難點。金屬氧化物半導(dǎo)體材料具有豐富可調(diào)的光、電、熱、磁等性質(zhì)，對其采取氫化處理可有效修飾其電子結(jié)構(gòu)，從而獲得豐富可調(diào)的等離激元效應(yīng)；此處的一個關(guān)鍵性挑戰(zhàn)在于如何顯著提高金屬氧化物半導(dǎo)體材料內(nèi)稟的低自由載流子濃度。基于該研究團(tuán)隊新近發(fā)展的、理論模擬計算指導(dǎo)下的電子-質(zhì)子協(xié)同摻氫策略，在本工作中研究人員采用簡便易行的金屬-酸溶液原位聯(lián)合處理方法實現(xiàn)了金屬氧化物MoO3半導(dǎo)體材料在溫和條件下的可控加氫（即實現(xiàn)了“本征半導(dǎo)體→準(zhǔn)金屬”的可控相變），從而突破性地大幅提升了該材料中的自由載流子濃度。研究表明，氫化后的MoO3材料中自由電子濃度與貴金屬相當(dāng)（譬如H1.68MoO3：~1021cm-3；Au/Ag：~1022cm-3），這使得該材料的等離激元共振響應(yīng)從近紅外區(qū)移至可見光區(qū)，且兼具強(qiáng)增益及可調(diào)性。結(jié)合第一性原理模擬計算和以超快光譜為主的多種物性表征，研究人員進(jìn)一步揭示出該協(xié)同摻氫所導(dǎo)致的準(zhǔn)金屬能帶結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的等離激元動力學(xué)性質(zhì)。作為效果驗證，研究人員在一系列表面增強(qiáng)拉曼光譜（SERS）實驗中證實該材料表面等離激元局域強(qiáng)場可使吸附的羅丹明6G染料分子的SERS增強(qiáng)因子高達(dá)1.1×107（相較于一般半導(dǎo)體的104?5和貴金屬的107?8），檢測靈敏限低至納摩量級（1×10-9mol L-1）。 這項工作創(chuàng)新性地發(fā)展出一種調(diào)控非金屬半導(dǎo)體材料系統(tǒng)中自由載流子濃度的一般性策略，不僅低成本地實現(xiàn)了具有強(qiáng)且可調(diào)的等離激元效應(yīng)的準(zhǔn)金屬相材料，而且顯著地拓寬了半導(dǎo)體材料物化性質(zhì)的可變范圍，為新型金屬氧化物功能材料的設(shè)計提供了嶄新的思路和指導(dǎo)。

項目成果/簡介:在傳統(tǒng)貴金屬（金、銀等）之外發(fā)掘出具有高性能等離激元效應(yīng)的非金屬新材料，是當(dāng)前等離激元學(xué)基礎(chǔ)研究及應(yīng)用研發(fā)的一個熱點與難點。金屬氧化物半導(dǎo)體材料具有豐富可調(diào)的光、電、熱、磁等性質(zhì)，對其采取氫化處理可有效修飾其電子結(jié)構(gòu)，從而獲得豐富可調(diào)的等離激元效應(yīng)；此處的一個關(guān)鍵性挑戰(zhàn)在于如何顯著提高金屬氧化物半導(dǎo)體材料內(nèi)稟的低自由載流子濃度。基于該研究團(tuán)隊新近發(fā)展的、理論模擬計算指導(dǎo)下的電子-質(zhì)子協(xié)同摻氫策略，在本工作中研究人員采用簡便易行的金屬-酸溶液原位聯(lián)合處理方法實現(xiàn)了金屬氧化物MoO3半導(dǎo)體材料在溫和條件下的可控加氫（即實現(xiàn)了“本征半導(dǎo)體→準(zhǔn)金屬”的可控相變），從而突破性地大幅提升了該材料中的自由載流子濃度。研究表明，氫化后的MoO3材料中自由電子濃度與貴金屬相當(dāng)（譬如H1.68MoO3：~1021cm-3；Au/Ag：~1022cm-3），這使得該材料的等離激元共振響應(yīng)從近紅外區(qū)移至可見光區(qū)，且兼具強(qiáng)增益及可調(diào)性。結(jié)合第一性原理模擬計算和以超快光譜為主的多種物性表征，研究人員進(jìn)一步揭示出該協(xié)同摻氫所導(dǎo)致的準(zhǔn)金屬能帶結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的等離激元動力學(xué)性質(zhì)。作為效果驗證，研究人員在一系列表面增強(qiáng)拉曼光譜（SERS）實驗中證實該材料表面等離激元局域強(qiáng)場可使吸附的羅丹明6G染料分子的SERS增強(qiáng)因子高達(dá)1.1×107（相較于一般半導(dǎo)體的104?5和貴金屬的107?8），檢測靈敏限低至納摩量級（1×10-9mol L-1）。 這項工作創(chuàng)新性地發(fā)展出一種調(diào)控非金屬半導(dǎo)體材料系統(tǒng)中自由載流子濃度的一般性策略，不僅低成本地實現(xiàn)了具有強(qiáng)且可調(diào)的等離激元效應(yīng)的準(zhǔn)金屬相材料，而且顯著地拓寬了半導(dǎo)體材料物化性質(zhì)的可變范圍，為新型金屬氧化物功能材料的設(shè)計提供了嶄新的思路和指導(dǎo)。

本發(fā)明公開一種基于人工表面等離激元的微波渦旋波發(fā)生器。該結(jié)構(gòu)工作在微波頻段，由雙層人工表面等離激元波導(dǎo)實現(xiàn)對于電磁波的傳輸，上層波導(dǎo)和下層波導(dǎo)之間的連接通過一個金屬過孔實現(xiàn)。該微波渦旋波發(fā)生器的輻射部分主要由一系列放置在人工表面等離激元波導(dǎo)旁邊的圓形貼片實現(xiàn)，同時這些圓形貼片作為諧振器也提供了產(chǎn)生不同的渦旋波所需的相位。這種微波渦旋波發(fā)生器可以在不同頻率處實現(xiàn)具有不同軌道角動量模式的渦旋波，而不需要在結(jié)構(gòu)上做出任何改變。