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研究方向:自由电子/表面等离激元器件

自由电子辐射器件

自由电子与材料和微纳结构相互作用可以 产生不同频段的电磁辐射,在粒子探测、生物医学、电磁辐射源等领域具有重要的应用价值。将传统真空电子学与正在新兴的微纳光电子学的交叉融合,探索自由电子与微纳结构和材料的相互作用,为突破自由电子产生辐射的限制条件、拓展辐射频率、调控辐射偏振和相位、操控自由电子的能量和空间分布、以及实现全新形式的自由电子辐射器件提供了可能。实验室在基于微纳结构的自由电子辐射器件上开展了研究工作:(1)提出在双曲超材料表面运动的电子产生无阈值切伦科夫辐射(Cherenkov Radiation)的机理,实验观测到能量几百eV(较先前报道低2~3个数量级)的自由电子激励的切伦科夫辐射,同时研制出将电子发射源、双曲超材料、辐射提取单元集成一体的芯片,实现世界上首个全片上集成自由电子光源,尺寸仅为200微米(较传统自由电子光源尺寸缩小上万倍);(2)借助微纳结构光栅实现深紫外波段Smith-Purcell辐射(Smith-Purcell radiation,SPR),实验中控制自由电子穿过二维光栅结构中的纳米狭缝,将SPR辐射波长拓展到230nm,并且实现SPR辐射波长达百纳米范围的调控;(3)提出并理论研究了基于SPP的受激切伦科夫辐射,基于该方法可以产生紫外波段可调谐的受激切伦科夫辐射)波长小于200nm、线宽小于0.3nm),为实现深紫外可调的光源提供了可能;(4)提出电子-电磁场共振相干史密斯-帕塞尔辐射新机制,将产生该辐射的设备缩小100倍以上,辐射谱宽压窄约5个数量级,获得频率0.3THz谱宽仅0.3kHz的太赫兹相干辐射源。


表面等离激元器件

表面等离激元(Surface plasmonpolariton, SPP)是一种由金属自由电子参与的、沿金属和介质界面传播的特殊形式的电磁波,其在振幅随着离开金属-介质界面的距离指数衰减。近年来SPP在微纳结构尺度下也表现出一系列独特的物理特性,借助介观尺度的SPP效应,有可能解决一系列现有光电子器件面临的瓶颈问题――可以提供光场与环境信息交互传感的新模式;可以神奇地增强电-光-电的转换效率;可以大大压缩光的波长、提高光的非线性效应,实现超衍射纳米光刻技术等等。(1)在国内首先实现了低传输损耗的长程SPP波导,传输损耗低达0.67dB/mm;(2)创新提出并实现了金属SPP波导和介质波导异质耦合结构,耦合效率高于99%,为实现集成SPP器件、SPP器件和介质混合器件奠定了基础;(3)提出并实现了基于 SPP-介质异质耦合结构的可集成折射率(生化)传感芯片,观测到传感芯片对有机分子层厚度变化(~5nm)十分敏感;(4)提出并研究了金属陶瓷(Cermet)材料、双层金属陶瓷波导结构、金属-介质周期结构中SPP的Purcell效应,有望大大提高纳结构硅材料的发光效率;(5)提出核(金属)/壳(介质)纳米颗粒增强材料的光电转换效率,观测到核壳金属纳米颗粒将有机太阳电池、染料敏化太阳电池效率提高了约30%;(6)提出并验证了双SPP吸收效应,实现了线宽小于波长1/11的光刻胶条纹,验证了基于双SPP吸收的纳米光刻的可行性。


研究内容

- 自由电子切伦科夫辐射和Smith-Purcell辐射产生

- 自由电子太赫兹辐射器件

- 可集成表面等离激元的生化传感器

- 表面等离子激元增强材料光/电、电/光转换特性

- 基于表面等离子激元的纳米光刻


代表性成果

    自由电子辐射器件

  • 涡旋Smith-Purcell辐射。借助全息光栅超表面结构,理论研究了自由电子产生的具有不同拓扑荷数的涡旋Smith-Purcell辐射,该方法适用于微波、太赫兹、红外、可见和紫外波段,并且该方法可以通过缩小超表面尺寸减小产生涡旋辐射所需的电子能量。(Photonics Research 8, 1309 (2020))

  • 氮化硼中的无阈值切伦科夫辐射。理论研究了低能量自由电子在六方氮化硼(hexagonal boron nitride,hBN)中产生的CR,研究结果表明产生辐射的电子能量可以低至E = 1 eV,比目前已报道的产生CR的最低电子能量低三个数量级。(Nanophotonics 9, 1491 (2020))

  • 深紫外Smith-Purcell辐射。借助微纳结构光栅实现深紫外波段Smith-Purcell辐射(Smith-Purcell radiation,SPR),实验中控制自由电子穿过二维光栅结构中的纳米狭缝,将SPR辐射波长拓展到230nm,并且实现SPR辐射波长达百纳米范围的调控。(Optica, 6, 592 (2019))

  • 自由电子激励的受激切伦科夫辐射。提出并理论研究了基于SPP的受激切伦科夫辐射,基于该方法可以产生紫外波段可调谐的受激切伦科夫辐射(波长小于200nm、线宽小于0.3nm),为实现深紫外可调的光源提供了可能。(Optics Express, 26, 31402 (2018))

  • 无阈值切伦科夫辐射芯片。提出在双曲超材料表面运动的电子产生无阈值切伦科夫辐射(Cherenkov Radiation)的机理,实验观测到能量几百eV(较先前报道低2~3个数量级)的自由电子激励的切伦科夫辐射,同时研制出将电子发射源、双曲超材料、辐射提取单元集成一体的芯片,实现世界上首个全片上集成自由电子光源,尺寸仅为200微米(较传统自由电子光源尺寸缩小上万倍)。(Nature Photonics, 11, 289 (2017))





  • 表面等离激元器件

  • 提出并证明了异质混合波导结构(纳米金属SPP波导+介质光波导)的电磁模耦合激励原理,实现了两种不同形态电磁波的高效能量转换,观测到长程和短程SPP与光波的耦合效率均>99%,同时实现了一种纯TM输出的偏振分束器和尺度小于100微米的起偏器。(Appl. Phys. Lett. 90, 141101 (2007);Appl. Phys. Lett. 95, 091104 (2009))

  • 基于异质混合波导耦合的折射率敏感性,提出并实现了一种可集成SPP生化传感芯片,借助SRSPP模场的高度趋肤特性和对纳米分子的高灵敏度传感,厚度变化传感分辨率达1.65dB/nm,优于其他集成器件一个量级以上,对双酚A分子的传感灵敏度达到0.1ng/ml。(Sensors and Actuators B: Chemical, 186, 495 (2013);Appl. Phys. Lett. 102, 061109 (2013))

  • 阐明了金属纳米颗粒局域SPP场增强效应对薄膜太阳电池效率提升起主导作用,提出并实现了SPP增强的薄膜太阳电池,进而提出并实现了"Popcorn"金-银合金纳米颗粒增强的染料敏化太阳电池,效率获得30%的提升(从5.26%提升到7.85%)。(Scientific reports 3, 2112 (2013);RSC Adv., 5, 11175-11179 (2015))

  • 提出"双SPP吸收(two-surface-plasmon-polariton-absorption, TSPPA)"的新概念,以及基于TSPPA的纳米光刻方法,实现了特征尺度为60nm的光刻图形,并有望通过减小曝光功率、调整曝光时间在大视场下实现30纳米以下尺度的纳米光刻图形。(Appl. Phys. Lett. 102, 063113 (2013);Appl. Phys. Lett. 104, 081115 (2014))

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