表面等离激元纳米结构增效的光电探测器进展（特邀）

光电探测器作为航空航天、深空探测和环境监测等领域的核心器件之一,具有重要的科学研究和实用价值。表面等离激元具有可突破光学衍射极限、实现纳米聚焦的性质,为光电探测器的性能提升提供了全新的技术手段,是近年来光电探测增效研究领域的热点之一。文中围绕表面等离激元纳米结构增效的光电探测器研究展开综述,首先介绍了各类表面等离激元纳米结构的物理特性,主要包括局域表面等离激元结构和传导型的表面等离极化激元结构,以及由表面等离激元金属和半导体材料构成的异质结构;然后重点从探测器性能、探测原理和工艺方法等角度,介绍了等离激元纳米结构增强的光电探测器的研究进展;最后对表面等离激元纳米结构增效的光电探测器及其在未来面临的挑战进行了总结和展望。     

复合结构的等离激元模式耦合关系及光学特性研究

提出一种以Au为材料的正方形框和中空圆柱嵌套的亚波长周期性复合结构,采用时域有限差分算法对复合结构进行数值模拟研究.研究发现,波长在400～900 nm的线偏振平面波垂直入射情况下,最小的透过率能达到7.46％,最小的半峰全宽能达到7.25 nm,最大的反射率为87.61％,最大吸收率达到38.00％,且表现出透射光谱...     

基于纳米金属修饰的石墨烯光电探测器光吸收特性研究

可见光及红外波段的光电探测器是光通信、深空探测、生物医学成像等重要领域不可缺少的一部分。为进一步提升光电探测器性能,在石墨烯薄层上引入金属纳米结构,利用有限元仿真软件COMSOL建立多组模型进行仿真对比。结果表明：周期P=250 nm,纳米颗粒直径D=112.5 nm时,金字塔纳米金属颗粒与三角形截面光栅的加入,实现了石墨烯光电探测器在可见光和近红外波段光吸收的增强。波长在0.5～5μm范围内,纳米颗粒光栅结构可进一步提升器件的吸收性能,且颗粒覆盖率是影响光吸收效率的关键因素。     

单椭圆太赫兹金属线表面等离激元的特性研究

使用有限元方法(FEM)分析了椭圆柱形金属线在0.5THz太赫兹波下的表面等离激元的特性。这种场与圆柱形金属线表面等离激元类似,具有低损耗、低色散的特性。研究结果表明,随着长轴与短轴比值的增加,椭圆柱形金属线的场逐渐分裂开并越来越向椭圆的两个尖端区域集中,损耗也一直在显著减小,故传播距离始终在增大。由于这些特性,椭圆形横截面金属线适用于太赫兹波导、聚焦以及成像等领域。     

基于表面等离激元的石墨烯光电探测器研究进展

光电探测器作为一种重要的光电子器件,提高其性能是广受关注的研究课题.近年来,采用纳米结构突破了原有红外光电探测器发展的瓶颈,越来越多的人使用金属纳米颗粒、纳米结构图形化石墨烯、谐振腔等激发表面等离激元,促进光-物质交互作用,得到了高性能光电探测器.文中从图形化石墨烯、金属纳米颗粒、量子点、周期性纳米结构几个方面介绍了基...     

介质加载表面等离激元的近场光学观测

利用扫描近场光学显微术(SNOM),观测并分析了基于银膜衬底上CdS纳米带的介质加载表面等离激元(Dielectric-loaded Surface Plasmon Polariton,DLSPP)的激发现象.通过SNOM可以观察到纳米带不同位置的光致荧光光谱峰位有30 meV的红移量.利用Franz-Keldysh效应可以很好地解释能量红移的产生.有限时域差分法的模拟结果进一步验证了实验中观测的现象.这种DLSPP的激发结构,对于光子集成电路及基于等离激元的微纳器件波导有实际意义.     

纳米光栅的表面等离激元增强型GaN-LED

为提高传统GaN基LED的发光效率,提出了一种基于纳米光栅结构的透射式表面等离激元增强型GaN-LED。该增强型LED包含覆盖在p型GaN光栅槽内的低折射率SiO2膜、Ag膜以及槽表面的ITO薄膜。详细阐述了该结构增强LED发光特性的基本原理,利用基于有限元法的模拟软件COMSOLTM-RF Module对该结构进行参数优化和数值模拟分析。研究结果表明,在周期p=280 nm,占空比f=0.5,SiO2层的厚度dSiO2=25 nm,银层的厚度dAg=15 nm,ITO层的厚度dITO=30 nm时,该结构在可见光范围内具有较高的传输效率,其零阶透射率高达0.716,零阶反射率为0.224,-1阶透射率峰值0.183,且Purcell因子增强了近16.4倍。该结构可以同时提高GaN基LED的内量子效率、光萃取效率和SPP萃取效率。     

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。     

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。     

等离激元纳米孔用于单分子光学检测的研究进展

等离激元纳米孔将等离激元天线与固体纳米孔结合,可限制待测物路径,并将入射光能聚集至路径中产生热点,从而增强场与待测物质的相互作用,在纳米尺度范围内实现高灵敏度检测,近年来已被广泛应用于单分子检测研究。本文概述了几种典型等离激元纳米孔结构及其场增强效果;分析讨论了4种目前常用的基于等离激元纳米孔的高灵敏度检测技术及其特点,包括荧光检测、表面拉曼增强光谱、表面等离激元共振位移传感以及光电结合方法;综述了等离激元纳米孔在脱氧核糖核酸（DNA）、蛋白质、肽等单分子光学检测方面的应用进展及典型成果;讨论和展望了等离激元纳米孔的未来研究趋势以及面临的机遇和挑战。     

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。     

等离激元增强金硅肖特基结近红外光电探测器进展

表面等离激元共振衰减诱导热电子,因其能量高、分布窄、打破半导体禁带宽度限制等特点被广泛应用于拓展半导体光电转换的响应光谱,如拓展宽禁带半导体的响应光谱至可见光波段,拓展硅的响应波段至近红外。此外,还可以通过调节表面等离激元结构调控响应光谱和实现偏振探测,在实现硅基近红外光电探测领域具有重要的应用价值。从表面等离激元以及表面等离激元内光电效应的机理出发,综述了表面等离激元热电子原理在实现硅基近红外光电探测方面的研究进展,并总结了表面等离激元结构的形貌,尺寸、分布等因素对热电子的产生（外量子效率）和注入效率（内量子效率）的影响。最后展望了基于表面等离激元结构的硅基肖特基结近红外光电探测的研究方向。     

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。     

基于硅-绝缘体结构的石墨烯等离激元波导

提出一种由硅-绝缘体(SOI)结构与涂覆石墨烯层的纳米线(GCNW)构成的低损耗波导结构,采用有限元方法详细研究波导结构中石墨烯等离激元基模传输特性对频率、几何参数、材料参数以及石墨烯化学势的依赖关系.仿真结果表明,该波导中低折射率的SiO2介质层可实现高性能的深度亚波长光约束.得益于低折射率的SiO2介质层和SOI衬...     

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.     

聚焦表面等离激元研究取得进展

表面等离激元研究是纳米光学研究的重要组成部分。北京大学物理学院朱星教授课题组在对聚焦表面等离激元（SPP）的研究工作中,利用扫描近场光学显微术（SNOM）,通过引入对称性破缺的概念,成功实现了在线性偏振光激发下对SPP干涉条纹的调制。并且快速获得表面等离激元垂直分量的亚波长单点聚焦。这项工作研究了纳米金属围栏分别在径向偏振光和线性偏振光激发下的SPP干涉现象．通过数值模拟和解析计算相结合．建立了SPP在围栏内部的波动模型．很好地解释了SPP聚焦的形成机制．这一工作为今后基于SPP应用的微纳光电器件的发展提供了新方法。