等离激元太阳能电池概述

贵金属纳米粒子的表面等离激元共振峰附近的光散射可以有效的增强薄膜太阳能电池光吸收效率.基于等离激元方法设计的太阳能电池可以很大程度上增强光吸收,并且减少太阳能电池的光吸收层厚度从而减小体积.本文针对等离激元增强太阳能电池性能的原理进行介绍,并且对其未来发展趋势进行了展望.     

纳米颗粒局域表面等离激元共振的光谱特性研究进展

LSPR与以往的SPR相比,具有独特的光学特性,在紫外-可见光区域表现强吸收作用的光学响应,且在温度,生物以及化学等传感器领域做出了比较独特的研究。通过对LSPR在传感器领域已有成果的论述,将这些内容呈现给读者。     

等离激元纳米杯的研究进展

等离激元纳米杯因其结构的非对称分布,显示出独特的电场磁场分布调制、光弯曲、强光散射和高光热转换效率等特性,其制备方法和多领域应用都获得了广泛研究。综述了等离激元纳米杯特别是金纳米杯的制备方法,包括基于微纳加工的物理制备方法和湿化学合成方法,分析对比了各种制备方法的优缺点及适用领域。介绍了等离激元纳米杯的光物理学特性,包括等离激元共振模式、吸收散射光谱特性和电场磁场特性,着重展示了纳米杯参数调谐特性。总结了等离激元纳米杯在光电器件和生物医学等领域的重要应用。最后对等离激元纳米杯的发展趋势与挑战进行了展望。     

基于表面等离激元耦合调控石墨烯点阵结构

由于石墨烯的无带隙线性能级结构,使得石墨烯等离激元具有能量局域强,响应频段宽,传播距离长,并可由偏置电压动态调控等优良特性。文章利用不受光信号的入射角和偏振方向影响的石墨烯点阵结构,结合石墨烯之间的表面等离激元耦合,通过改变底层石墨烯的费米能级,实现了石墨烯点阵结构谐振频率的调控。     

金属表面等离激元增强聚合物太阳电池

研究了Au纳米颗粒表面等离激元增强聚噻吩(P3HT)与富勒烯衍生物(PCBM)共混体系聚合物太阳电池的光电转换效率。Au纳米颗粒表面由双十烷基二甲基溴化铵(DDAB)修饰,能够均匀分散在活性层中。研究了Au纳米颗粒的质量分数对电池性能的影响,发现质量分数为1.2%时,电池性能最佳,转换效率高达3.76%,较未掺杂的参比电池相对提高约20%。掺入Au纳米颗粒后P3HT和PCBM共混膜光吸收显著增强,从而使电池外量子效率大大增加。电池效率的提升主要归结于Au纳米颗粒表面等离激元激发所引起的近场增强。     

表面等离激元电磁波吸收体研究进展

表面等离激元电磁波吸收体具有新颖的吸波机制、超高的吸收率、超薄的厚度、超小的单元结构、角度不敏感等特点, 使其在太阳电池、紫外防护、光电探测等领域受到广泛关注。文章围绕表面等离激元电磁波吸收体展开综述, 首先根据其吸波特性的不同, 将其分为窄带、多频带及宽带吸收进行概述, 接着详细介绍了窄带、多频带、宽带表面等离激元电磁波吸收体近年的研究进展, 最后对表面等离激元电磁波吸收体的发展前景进行了展望。     

石墨烯动态调控太赫兹表面等离激元

太赫兹表面等离激元(SPPs)是利用亚波长周期性结构在太赫兹频段模拟的具有与可见光频段表面等离激元相似的光学特性的电磁波,分为传输型和局域型2种。本文将石墨烯引入太赫兹表面等离激元结构作为动态激励源,通过外加偏压改变石墨烯的电导率,分别实现了对传输型表面等离激元的幅度、频率、相位和对局域表面等离激元共振强度的动态调控。本文方法为表面等离激元的动态调控提供了新的思路,拓宽了表面等离激元在太赫兹频段的应用。     

石墨烯/光子晶体混合结构的可调谐表面等离激元自准直

文章探究了中红外波段表面等离激元在石墨烯/光子晶体混合结构传输的自准直现象。在石墨烯的硅基底上设计了二维周期圆形空气孔结构,该结构能够实现表面等离激元光子晶体的特性。运用平面波展开法计算石墨烯表面等离激元光子晶体的能带,并计算出等频线。从该结构的等频线可以获得自准直的频率。我们进一步应用有限时域差分方法计算自准直频率在结构中的传输,可观察到该频率下石墨烯上的表面等离激元电场在通过该结构时出现自准直现象。在基底参数不变情况下,通过调节石墨烯的费米能,来改变等离激元光子晶体的能带,从而调节等离激元自准直频率。文章提出的基于石墨烯的等离激元自准直器件,有望应用于未来集成等离激元器件之间的连接。     

表面等离激元半导体纳米激光器

激光技术的发展推动了现代科学与技术的进步,改变了人类的生活。其中微型化激光光源成为目前的研究热点之一。得益于金属等离激元的光场强局域化作用,等离激元纳米激光器不仅能够获得突破光学衍射极限的超小物理尺寸,而且可以实现大调制速度以及极小的激射阈值,从而受到广泛的关注。对国内外等离激元纳米激光器的近期进展进行了综述,从增益介质、金属种类和器件结构三个方面进行对比总结,最后对等离激元纳米激光器的未来发展潜力进行讨论和展望。     

Investigation on surface plasmon polaritons and localized surface plasmon production mechanism in micro-nano structures

The simulation mechanism of surface plasmon polaritons (SPPs) and localized surface plasmon (LSP) in different structures was studied, including the Au reflection grating (Au grating), Au substrate with dielectric ribbons grating (Au substrate grating), and pure electric conductor (PEC) substrate with Au ribbons grating (Au ribbons grating). And the characteristics of the Smith-Purcell radiation in these structures were presented. Simulation results show that SPPs are excited on the bottom surface of Au substrate grating grooves and LSP is stimulated on the upper surface both of Au ribbons grating grooves and Au grating grooves. Owing to the irreconcilable contradiction between optimizing the grating diffraction radiation efficiency and optimizing the SPPs excitation efficiency in the Au substrate grating, only 40-times enhancement of the radiation intensity was obtained by excited SPPs. However, the LSP enhanced structure overcomes the above problem and gains much better radiation enhancement ability, with about 200-times enhancement obtained in the Au ribbons grating and more than 500-times enhancement obtained in the Au grating. The results presented here provide a way of developing miniature, integratable, tunable, high-power-density radiation sources from visible light to ultraviolet rays at room temperature.     

太赫兹表面等离激元的研发与应用

表面等离激元的研究推动了超分辨成像、高灵敏传感、片上集成系统等应用的发展。将其应用在太赫兹这一高穿透性、高带宽波段时必然会带来更多迷人的功能。由于太赫兹波段频率较低,表面等离激元具有许多不同于可见光的现象。通过控制金属表面微纳结构或半导体材料与太赫兹波之间的相互作用,人们实现了对太赫兹波表面波的控制。本文综述了太赫兹波段表面等离激元的基本原理和研究历程,介绍了近年来在此波段开展的热门研究成果,如波前整型、片上波导、可调谐器件等,最后总结了这一领域的发展瓶颈并展望了未来主要发展方向,希望能够进一步推动太赫兹波段表面等离激元应用的发展。     

基于太赫兹等离激元的半导体表面生化薄膜光谱检测

我们提出了一种利用太赫兹表面等离激元对放置在半导体表面的生化薄膜进行光谱测量的新方法。我们从理论上证明了半导体材料对其上传输的太赫兹表面等离子体波具有较强的表面束缚性,从而提高太赫兹波与半导体表面的生化薄膜之间的相互作用。通过采用太赫兹时域光谱测量系统,我们从实验上分别得到了洋葱表皮的太赫兹表面等离子体波和自由空间太赫兹波透射波谱。实验结果表明,当测量对象是厚度仅为自由空间太赫兹波波长的约百分之一的单层洋葱表皮时,表面等离子体波的透射波谱与自由空间太赫兹波透射波谱相比具有更加多的特征吸收峰。     

非周期三角光栅表面等离子体激元透镜研究

提出了一种新的表面等离子体激元透镜结构,该结构通过在两个亚波长小孔的外表面放置非周期的三角形电介质光栅实现对入射光束的有效汇聚。利用时域有限差分法(FDTD)计算了该结构中的稳态电磁场分布,讨论了光栅数目对成像特性的影响,计算发现,聚焦光斑可能出现一个、二个甚至三个;探讨了光栅折射率对成像的影响,发现在一定介质范围内,随着折射率的增大,焦距也随之增大;除此之外,亚波长小孔的数目、光栅中心距离小孔的位置及中间无三角形等因素都在不同程度上对透镜的成像特性有一定影响。     

柔性人工表面等离激元传输线的小型化设计

为了实现高集成度通信系统中高频信号的可靠传输,提出了一种小型化叉指H形人工表面等离激元传输线结构. 采用共面双导体形式,并在金属矩形凹槽处添加叉指结构,实现色散特性调控和尺寸缩减. 同时给出单元结构的等效电路模型,验证了小型化结构的设计原理,分析了力学形变时传输线的性能. 仿真与测试结果表明,与常规的人工表面等离激元相比,叉指H形人工表面等离激元传输线可在保持相同带宽（3～15.25 GHz）的同时,线宽减少79.5%,尺寸仅为2.28λ_g×0.098λ_g（λ_g为中心频率对应的波长）. 在平坦和变形时加工实物的带宽保持在3～12.90 GHz,与仿真结果较吻合. 设计的结构具有高频、小型化和柔性超薄等特点,在超小型高速通信系统中具有潜在的应用前景.     

基于人工表面等离激元的天线研究进展

人工表面等离激元是在人工电磁媒质与传统材料界面激发的一种亚波长表面电磁模式, 具有波长短、场局域增强、色散可调等新奇的电磁特性, 在小型化微波器件、隐身材料与隐身结构、天线/天线罩等领域具有重要应用前景.文章综述了人工表面等离激元在天线中的应用研究进展, 包括基于混合模式耦合、相位梯度超表面解耦、周期结构解耦等原理的端射天线、多波束天线、频扫天线, 为新型天线的研发与应用提供技术支撑.     

基于人工表面等离子体激元带通滤波器的设计

设计了基于人工表面等离子体激元(spoof surface plasmon polaritons,spoof SPPs)的带通滤波器,在介质基板上覆上一层超薄金属铜,并将金属表面刻为周期波纹状金属条,同时结合马赫曾德尔干涉仪(Mach–Zehnder interferometer,MZI),将金属条设计为MZI结构,并对MZI的干涉臂设计了两个取向相反的金属条结构,构成滤波器耦合部分,分析了耦合间距以及耦合单元个数对带通滤波器带宽的影响并进行了仿真。结果表明,该滤波器具有–3 d B从4.8 GHz到8.3 GHz的带宽。基于人工等离子体激元的带通滤波器的设计为今后人工表面等离子体在微波行业的应用提供了思路。     

Ag纳米粒子点阵的表面等离激元共振特性调控

通过纳米粒子束流气相沉积方法在衬底表面沉积稠密银纳米粒子点阵。通过对纳米粒子覆盖率的精细控制与纳米粒子点阵消光谱的实时监测,实现了其表面等离激元共振峰频率的系统调控。随着Ag纳米粒子密度的增加,点阵的表面等离激元共振波长发生红移,可逐步由小于400nm增大到570nm以上。研究发现,表面等离激元共振波长的变化与随纳米粒子沉积量增加而增加的紧密相邻的纳米粒子对的百分数相关。     

A numerical investigation of wave interactions in dielectricwaveguides with periodic surface corrugations

The modal properties of planar multilayered waveguides with a rectangular surface corrugation are investigated. A rigorous full Floquet numerical analysis is performed for the fundamental TE mode of the infinite periodic structure. The algorithm is based on a boundary element solution of the integral wave equation in the grating region. A generalized transverse resonance-type matrix equation is sought that matches all continuity, periodicity, and boundary conditions. The resonant solutions of this characteristic equation represent all the surface and leaky waves supported by the structure. The exact dispersion characteristics, as well as the amplitudes of the space harmonics are computed and discussed in connection with radiation losses and coupling mechanisms near resonant Bragg conditions. In particular, a specific double-heterostructure GaAs/AlGaAs waveguide geometry is examined in detail     

A boundary element technique applied to the analysis of waveguideswith periodic surface corrugations

A boundary integral formulation is used to characterize Floquet-Bloch modes of two-dimensional multilayered periodic waveguides. A technique for matching fields inside the grating to those external to the grating region is described. Although a simple four-layer structure is used to illustrate the method, an extension to multilayer waveguide structures is straightforward. The mathematical formalism has been simplified, allowing for more efficient computations using fast Fourier transform algorithms