“纳米光子材料”专题
——徐红星，戴庆，李志鹏，张青
[摘要]为促进纳米光子材料领域的学术交流，《中国激光》组织策划 “纳米光子材料”专题，集中展示我国科研工作者在纳米光子材料领域的最新成果及研究进展。专题共收录论文20 篇，包括综合性论文12 篇和研究性论文8 篇，撰稿作者分别来自北京大学、清华大学、华中科技大学、国防科技大学、北京理工大学、中山大学、天津大学、首都师范大学、中国科学院半导体所、国家纳米科学中心、苏州纳米技术与纳米仿生研究所等国内多个知名高校和科研单位... ...
华中科技大学光学与电子信息学院武汉光电国家研究中心
[摘要]光电子轨道断层成像是有机纳米材料研究中一种实验和理论相结合的技术，其核心是建立光电子角分布能 谱和分子初始态轨道结构之间的直接联系。研究者通过较为简易的平面波近似，可以实现对表面共轭分子价带轨 道角分辨光电子能谱的精确分析，从而研究它们的电学、光学和化学特性。介绍了光电子轨道断层成像技术的理论 基础和实验手段，综述了近年来该技术在确定分子的几何结构、测量界面电学相互作用、获得时间分辨轨道图像等 领域的诸多应用，并介绍了该技术结合超快激光等相关实验技术的最新进展。
北京理工大学材料学院低维量子结构与器件工信部重点实验室
[摘要]双激子发光是半导体材料在高激发强度下形成两个激子后复合发光的一种物理过程。相较于块体材料，量 子点体积小、载流子受限、能级分立，从而具有独特的双激子发光特性，具体表现为双激子结合能大，级联发射中的 光子对是极化反对称的，激子对的俄歇复合效应强。从双激子发光研究的发展历程出发，重点介绍了量子点双激子 发光的基本原理、光谱特性，特别是量子效应对量子纠缠和光增益的影响。讨论了量子点双激子发光在纠缠光源、 量子点激光器等方面的应用潜力和目前所面临的挑战。
国家纳米科学中心中国科学院纳米光子材料与器件重点实验室
[摘要]在原子尺度上研究电荷输运超快动力学特性，对于揭示光催化、光合作用等物理化学过程的机制有着重要意 义。与高能（>20 keV）电子束相比，低能（<500 eV）电子束在样品表面微弱的局域电场下有较大的散射截面，结合 全息成像机制，可以实现亚纳米级的空间分辨能力。因此，若采用具有飞秒时间分辨能力的超快相干电子源，低能 电子全息成像有望实现对原子尺度的电荷输运超快动力学过程的表征。首先介绍了超快低能电子全息成像的原 理，然后讨论了超快相干电子源的产生机制和性能，在此基础上，阐述了超快低能电子全息成像的研究现状并展望 了未来的发展趋势。
湖北江城实验室
[摘要]光热电效应是近年来涌现的一种新型的光电探测机制，具有可零偏压工作、宽谱响应、不受带隙限制的优点， 在红外和太赫兹波段具有广阔的应用前景。随着纳米材料中热载流子的高效利用以及对室温长波探测需求的增 加，光热电效应研究近年来发展迅速，涌现出一系列新材料和新型器件设计方法。在近年来已发表的光热电效应综 述文章的基础上，本文重点对光热电效应的机理、仿真、材料相关参数测量方法、器件设计，以及探测性能近三年的 进展进行了梳理和总结，希望能给相关领域的研究人员提供有益参考。
北京大学材料科学与工程学院
[摘要]稀土类发光材料由于其丰富的光学特性而具有重要的研究与应用价值。其中，稀土上转换发光材料在近年 来尤为受人瞩目，与之相关的研究成果遍布物理、化学、生物、材料和多个交叉领域。有别于大多数发光材料的共 性，上转换材料的激发-发射谱峰波长呈现为反斯托克斯位移，因此能够在短波长谱带范围绕过背景噪声且传输发 光信息。作为对这一光物理机制的理解运用，人们通过化学方法合成了纳米尺度的稀土上转换发光材料，并且在生 物样品荧光显微成像中成功证实了上转换发光标记物的高信噪比检测。以上转换发光微纳材料的光物理性质研究 为主题，介绍和梳理了稀土上转换纳米材料在偏振光谱解析、单纳米颗粒超分辨发光成像、微型激光器构筑方面的 研究进展。
首都师范大学化学系光功能材料与器件北京市重点实验室
[摘要]兼具高效发光和电荷传输特性的有机半导体是实现有机电泵浦激光的理想候选材料，但其分子设计与合成 面临着巨大挑战。高载流子传输和高效固态发光效率之间存在着天然的矛盾，这是因为高载流子传输要求分子紧 密堆积并具有强的分子间相互作用，但这种相互作用会显著降低固态发光效率。本文综述了近年来报道的兼具电 荷传输特性和高发光效率的联苯衍生物的研究进展，重点介绍了约20 余种基于联苯衍生物的有机半导体材料，包 括分子的设计策略、相关的光电性能及其在光电器件方面的应用，为兼具高电荷传输特性和高发光效率的有机半导 体材料的研究提供了指导和借鉴，同时为发展与实现有机电泵浦激光奠定了材料基础。本文还对该领域未来发展 的挑战、方向及机遇进行了简单评述。
国防科技大学前沿交叉学科学院
[摘要]磁性材料独有的磁响应特性增强了传统电荷型器件的磁控能力，而超薄甚至可单原子层剥离的二维磁性材 料在低维尺度下增强了电子自旋与电荷、晶格的相互作用并带来了非凡的物性。在自旋电子学中，反铁磁材料不仅 展现了高频、低耗、抗串扰的优势，其与超导、磁相变等现象联系的关联电子态还疏通了人们利用光电子学探索低维 磁性及其机理的道路。近年来，得益于额外的磁自由度、二维光电效应、反铁磁与铁磁/非磁材料的功能化异质结， 激光驱动的二维反铁磁材料成为研究热点。综合稳态和瞬态的显微光学手段，回顾总结了二维反铁磁材料中的各 类磁光效应和元激发准粒子研究，包括激光与物质相互作用中的载流子、激子、声子、磁子及其耦合态效应。随着可 见光到太赫兹成像和其他配套技术的发展，二维反铁磁材料的检测和调控难题正逐步得到解决，高极化度和低阻尼 输运的微纳自旋应用有望被植入到光伏、光信息处理领域并发挥重要作用。
北京大学材料科学与工程学院
[摘要]光电探测器是光通信、光学成像系统的核心组件。光通信波段纳米光电探测器是当前光电信息技术领域的 重要研究对象。目前，基于铟镓砷和汞镉碲等传统化合物半导体材料的光通信波段光电探测器面临着制备流程复 杂、成本高昂、工作温度低、集成困难等问题。新型二维材料具有独特的结构和光电性质，是制备下一代低功耗、小 型化光电探测器的重要材料。主要概述了二维材料光电探测器在光通信波段的研究进展，包括二维材料的独特物 理化学性质、光电探测器的基本工作原理和参数指标等，重点论述了基于二维材料及其异质结的光电探测器的研究 进展，最后总结了该领域面临的挑战以及发展前景。
Dynamics of Exciton Transport in TwoDimensional Materials
National Center for Nanoscience and Technology
[摘要]In recent years, two-dimensional (2D) materials have attracted extensive interests due to the large exciton binding energy different from bulk materials. Many peculiar properties have been discovered that have farreaching perspectives in the next generation of optoelectronic devices. In this review, we introduce the forms of exciton existence in 2D materials and several promising 2D materials with good applications at first. Then, we summarize relevant contemporary tools for probing exciton dynamics and methods of regulating 2D exciton transport, for instance, electrical regulation, stress/surface wave regulation and moiré potential regulation, etc. Finally, we conclude the general development of regulation in 2D materials and propose several possible opportunities of application prospect.
厦门大学化学化工学院
[摘要]当金属膜厚度降低到几个纳米尺度时，其光学性质与体相金属显著不同，如具有宽波段红外高吸收率、可电 调控的等离激元和较强的非线性光学响应等。然而金属膜在电介质衬底上的润湿性较差，其在生长初期以岛状生 长模式为主，难以生长成连续的超薄膜。首先介绍了超薄金属膜的介电函数理论。随后综述了制备超薄金属膜的 主要方法，包括种子层法、有机修饰法、共沉积法和低温沉积法。接着介绍了超薄金属膜的光学性质及应用。最后 从制备工艺、应用等方面展望了超薄金属膜相关研究的发展方向。
中国地质大学材料与化学学院
[摘要]在纳米尺度上实现电磁场传播的精确调控，对光学器件的集成化、小型化以及光子芯片的开发均至关重要， 也是纳米光子学关注的核心问题。声子极化激元是一种光子与晶格振动耦合产生的具有半光半物质性质的电磁波 模式。近期，在天然层状超材料面内发现的双曲声子极化激元，表现出类似射线的传播形式、较大的波矢和高的局 域场强，因而在光场调控方面受到极大关注。因此，详细阐述了双曲声子极化激元的物理机制，包括极化激元介电 方程、双曲色散关系以及方位角和开口角作用关系，并进一步阐述了双曲声子极化激元的传播特点、聚焦机制、可调 性和光学拓扑转变方法，最后总结展望了基于天然层状超材料的面内双曲声子极化激元的特点及发展趋势，为声子 极化激元发展及其纳米光子学应用提供帮助。
中国科学院微电子研究所健康电子研发中心
[摘要]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。
α -MoO3/石墨烯异质叠层结构中的声子极化激元-等离极化激元杂化波导模式（封面文章）
中山大学光电材料与技术国家重点实验室
[摘要]在中红外至太赫兹的电磁场长波谱段，二维范德瓦耳斯晶体石墨烯和a-MoO3 能够分别支持等离极化激元 和双曲声子极化激元，实现对长波电磁场的纳米尺度聚焦和调控。不同类型极化激元之间的杂化可以进一步丰富 极化激元物理特性，为纳米尺度下的电磁场调控带来更多维度。为此开展了a-MoO3 薄片和单层石墨烯异质叠层 结构声子极化激元-等离极化激元杂化研究。在理论上通过求解二维光波导麦克斯韦波动方程，分析了a-MoO3/石 墨烯异质叠层结构中声子极化激元-等离极化激元杂化激元波导模式的传播特性，计算了波导模式的色散关系，揭 示了a-MoO3/石墨烯异质叠层结构特有的电磁场传输机制。在实验上通过干法转移制备了a-MoO3/单层石墨烯异 质叠层结构，并采用散射式扫描近场光学显微镜对该异质结构的杂化极化激元特性进行了三维空间纳米光学成像 表征，验证了理论结果。研究结果为计算范德瓦耳斯二维晶体叠层结构的杂化极化激元特性提供了定量模型，为研 究二维晶体中不同类型的极化激元之间的相互作用及其机制提供了理论和实验参考。
首都师范大学物理系纳米光子与纳米材料北京市重点实验室
[摘要]银纳米线可以承载传播的表面等离激元，纳米片可以产生局域的表面等离激元，二者形成的耦合结构不但可 以将传播光场耦合为局域增强光场，还可以调控光场的偏振态等性质，为纳米光调控提供新的自由度。本团队构建 了银纳米线 三角片耦合结构，并发现耦合结构的发射偏振与纳米线 三角片的耦合方式有关：当三角片与纳米线之 间是“线”接触耦合时，耦合结构的发射偏振随着激发偏振的旋转而旋转；当二者是“点”接触耦合时，无论激发偏振 如何变化，发射偏振角度几乎保持160°不变。进一步，利用时域有限差分法验证了出射偏振对入射偏振的依赖特 性。通过计算自由电流密度体积分揭示了纳米线中传播的表面等离激元模式与银纳米线 三角片耦合模式的转化 机制，以及不同表面等离激元模式的叠加对发射偏振的调控。这些发现为纳米尺度上的光调控以及在纳米尺度上 构建纳米光子器件提供了更多灵活性。
中国科学院半导体研究所半导体超晶格国家重点实验室
[摘要]紫外光电探测器是继红外激光探测技术之后发展起来的一种新型探测技术。其中基于宽带隙的低维半导体 材料的紫外光电探测器是当下的研究热点之一。为了实现对宽带隙二维材料体系的拓宽以及高性能紫外探测器的 研制，研究了机械剥离的铊镓硫（TlGaS2）纳米片的能带结构以及光谱性质，制作了基于TlGaS2 纳米片的紫外光电 探测器。结果显示，TlGaS2纳米片在紫外乃至日盲紫外波段均具有较高的吸收。探测器响应波段与光学吸收结果 一致，对360 nm 的紫外信号具有最佳的探测性能。此外，探测器在响应范围内均表现出了很低的暗电流以及优异 的光电响应速度。测试结果说明了TlGaS2 二维材料在紫外光电器件领域具有一定的研究前景和潜在的应用 价值。
天津大学材料科学与工程学院
[摘要]等离激元激发产生的热载流子可以有效驱动化学反应的发生，进而实现太阳能的高效利用。合理设计等离 激元金属纳米结构是提高热载流子产生与注入效率，进而实现超宽光谱吸收和高效能量转换的有效途径。本课题 组制备了具有高密度尖端的等离激元纳米海胆颗粒，并构建了金属半导体复合结构的光阳极，通过测试光阳极微反 应区的光电流响应评估了热载流子的产生与注入效率。结果表明：纳米海胆结构具有优异的光电催化活性，其尖端 处的大量热点促进了热载流子的产生，金属与半导体间丰富的界面接触增加了热载流子的注入机会。该设计为热 载流子的高效激发与提取提供了参考。
国防科技大学前沿交叉学科学院
[摘要]石墨烯是典型的二维原子晶体材料，具有极高的热导率，其以独特的电子-声子相互作用机制以及在微纳尺 度热管理领域的应用潜力而备受瞩目。国内外针对石墨烯在不同温度下的热导率进行了大量的理论和实验研究， 但如何准确测量电偏置作用下悬空石墨烯器件的热导率仍需进一步深入研究。本课题组成功制备了高质量的悬空 石墨烯场效应晶体管，并基于拉曼光谱法研究了少层悬空石墨烯在不同电压下的热导率变化规律。实验结果显示： 当偏置电压从0 V 增加至1. 5 V 时，悬空石墨烯的最大温度变化范围为300~779 K，同时其热导率也发生了相应变 化，介于2390~3000 W/（m·K）之间。本实验结果为研究悬空石墨烯纳米电子器件在实际应用场景中的热传导特性 提供了实验数据参考。
西安工业大学光电工程学院
[摘要]为实现铌酸锂光学器件的高效集成，在其表面制备亚波长结构是实现其光学特性的最佳方式。然而，目前使 用的聚焦离子束刻蚀、激光刻蚀、湿法刻蚀等方法很难简单、经济、较快地制备铌酸锂亚波长结构。鉴于此，本课题 组基于有限元仿真及低能离子束刻蚀技术，研究了不同离子束参数下刻蚀的铌酸锂亚波长结构及其透射率。采用 Lambda950 分光光度计和原子力显微镜分别对刻蚀后的铌酸锂样品的透射率、均方根粗糙度、纳米结构的纵向高度 和表面形貌进行了分析。结果表明：当离子束入射角度为70°、入射能量大于600 eV、束流大于40 mA、刻蚀时间大 于60 min 时，铌酸锂样品表面形成了大面积的锥形纳米结构，并且纳米结构的高度随着离子束刻蚀参数的增大而增 大；在可见光波段，铌酸锂表面纳米结构越高，增透效果就越明显；当入射能量为1000 eV、离子束束流为40 mA、入 射角度为70°、刻蚀时间为120 min 时，铌酸锂表面刻蚀出了纵向高度为143. 5 nm 的锥形结构，此时在可见光范围内 铌酸锂样片的峰值透射率为83. 5%，相较于原片的透射率提高了约12. 5 个百分点。
国防科技大学前沿交叉学科学院
[摘要]碲烯具有宽带吸收、高迁移率和独特的拓扑性质，在红外光学应用领域被寄予厚望。本团队利用化学气相输 运方法制备了高结晶性碲烯纳米片；结合精准的端面转移技术，获得了利于光纤集成的可饱和吸收体；基于碲烯的 非线性饱和吸收特性，在1. 55 μm 波段实现了稳定的被动调Q 脉冲输出，中心波长约为1558 nm，脉冲宽度约为 1. 44 μs，重复频率在87~133 kHz 范围内可调。本研究结果拓展了新型碲烯纳米材料的应用场景，为可调谐脉冲激 光提供了解决方案。
湖北师范大学物理与电子科学学院
[摘要]提出了一种基于拉锥细芯光纤的温湿度传感器。先将细芯光纤熔接在两段多模光纤的中间，并在多模光纤 两端熔接单模光纤，利用拉锥机对细芯光纤进行分步拉锥。实验测得细芯光纤拉锥前后的传感器的温度灵敏度分 别为31 pm/℃和72. 7 pm/℃。将少量石墨烯量子点-聚乙烯醇涂覆在传感器锥部得到温湿度传感器，实验测得其温 度灵敏度最大为288. 3 pm/℃，湿度灵敏度可达到131. 7 pm/%。该传感器具有性能稳定、灵敏度高、制备简单、成 本低的特点，在温度和湿度传感领域具有广阔的应用前景。
