Graphene Plasmonics for Terahertz to Mid-Infrared Applications
近年来,由于石墨烯独特的电学和光学性质、可调谐性、长寿命的集体激发和极端的光限制,石墨烯等离子体激元学研究取得了快速的进展。在这里,我们回顾了石墨烯等离激元的基本性质;它们的能量色散,局域化和传播,等离激元-声子杂化,寿命和阻尼途径。石墨烯等离子体的应用空间在于技术上重要的,但相对未开发的太赫兹到中红外区域。我们讨论了新兴的和潜在的应用,如调制器,陷波滤波器,偏振器,中红外光电探测器,中红外振动光谱,等等。
2014-03-12 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Waveguide-Integrated Mid-Infrared Plasmonics with High-Efficiency Coupling for Ultracompact Surface-Enhanced Infrared Absorption Spectroscopy
波导集成等离子体是一个不断发展的领域,在可见光和近红外线领域有许多创新概念和演示设备。在这里,我们将这项工作扩展到中红外表面增强红外吸收(SEIRA),光谱方法探测分子振动小体积和薄膜的应用。建立在绝缘体上硅(SOI)波导平台上,两个关键的等离激元结构SEIRA有用的研究使用计算建模:金纳米棒和同轴纳米孔。我们发现,由于我们的结构阵列和高达40%,从一个单一的谐振器在近衍射限制区域的谐振下降80%。使用来自聚(甲基丙烯酸甲酯)和十八烷基乙醇自组装单层的模拟SEIRA信号来评估每个结构。我们提出的平台允许一个紧凑的,片上SEIRA传感系统,具有高效的波导耦合中红外。
2018-05-03 physics.app-ph physics.optics
Large static tuning of narrow-beam terahertz plasmonic lasers operating at 78 K
本文提出了一种新的单模金属包层等离子体激光器调谐机制,即激光器周围介质的折射率和腔内增益介质的折射率对谐振腔模式的影响是一致的。实现了单模窄光束太赫兹等离子体量子级联激光器(QCL)~ 57 GHz的可逆、连续和无跳模调谐,并在78 K的实际温度下得到了验证。调谐是基于在已经焊接和引线键合到铜底座上的QCL芯片上的电介质(二氧化硅)的后处理沉积/蚀刻。这是一个相当大的调谐范围相比,以前报道的结果与定向远场辐射图案的太赫兹QCL。用于调谐的关键使能机制是最近开发的用于等离子体激元激光器的天线反馈方案,其导致产生在激光器的腔体外部以大空间范围传播的混合表面-等离子体激元-极化激元。详细研究了介质沉积对QCL特性的影响,包括最高工作温度、峰值输出功率和远场辐射方向图。在整个调谐范围内,都能保持低发散度(<7度)的单瓣光束。由于激光器的光谱和辐射特性对其周围介质的敏感依赖性,天线反馈方案非常适合于等离子体激元激光器的调制及其传感应用。
2016-12-20 physics.optics
Nanostructured Plasmonic Metal Surfaces as Optical Components for Infrared Imaging and Sensing
热成像和传感技术提供了有关我们的热辐射世界的关键信息,近年来,在一系列应用中的使用量急剧增加。然而,制造红外光学部件的成本和技术精细度仍然是这些技术民主化的主要障碍。在这份报告中,我们提出了一个解决方案处理等离子体反射滤波器或PRF作为一个可扩展的和廉价的热红外光学。PRF选择性地吸收太阳光并镜面反射热红外TIR波长,其性能可与由锗等材料制成的最先进TIR光学器件相媲美。然而,与传统的红外光学部件不同,PRF可以使用廉价的材料和浸渍和干法化学合成技术方便地制造,并且关键的是,具有低几个数量级的制造成本。我们通过实验证明了PRF的核心光学功能,以及其集成到红外成像和传感系统,而不影响其热成像或辐射测量能力。从实用的角度来看,PRF的廉价和方便的可制造性代表了使热成像和传感系统的好处更实惠和更容易获得的重大进步。科学上,我们的工作展示了以前未开发的光学功能和设计光学元件的多功能化学合成的新方向。
2021-06-27 cond-mat.mtrl-sci physics.ins-det physics.optics
Plasmonic photothermal response of a phantom embedded with gold nanorod aggregates on broadband near-infrared irradiation
较长的近红外波长在生物组织中提供更好的穿透深度,因此这些对于等离子体光热癌症治疗是有用的。在用于此类应用的纳米颗粒的上下文中,可以针对更长的NIR波长来调谐吸收。然而,在增加纳米颗粒的尺寸时,散射增强,因此不适用于等离子体治疗。因此,为了克服这个问题,合成了不同类型的小金纳米棒并将其转化为稳定的聚集体,以将等离子体共振波长红移到更长的近红外波长。将金纳米棒聚集体嵌入琼脂糖凝胶模型中,模拟肿瘤组织样结构。使用宽带近红外线光源通过制备的体模测量光热响应。结果表明,即使在极稀浓度的金纳米棒中,聚集后的光热产热也可以增加,并且还提供更深的热能渗透。观察到的光热响应也通过数值模拟进行了验证。目前的研究表明,通过增加等离子体耦合,减少聚集体的第二生物治疗窗口中等离子体共振位移的失配问题,而不增加单个纳米颗粒的尺寸,可以获得更好的性能。聚集体通过红移吸收共振波长在更深的组织处提供更好的光穿透,这对于等离子体光热癌症治疗是有用的。
2023-03-20 physics.app-ph physics.optics
Lead nanoparticles, the deep-ultraviolet to near-infrared plasmonic platform
Brno University of Technology(布尔诺理工大学);Central European Institute of Technology(中欧技术研究所)
研究铅纳米颗粒在等离子体应用中的性能,通过扫描透射电子显微镜和电子能量损失谱评估其光学性质,发现其支持从近红外到深紫外的局域表面等离子体共振,具有作为多光谱等离子体平台的潜力。
2026-07-28 cond-mat.mes-hall physics.optics
Optical Activation of Germanium Plasmonic Antennas in the Mid Infrared
飞秒近红外脉冲带间激发在硅衬底上制造的本征锗结构中建立了等离子体响应。这种直接的方法激活了Ge结构的等离子体共振,并使它们能够用作中红外光谱范围的光学天线。光开关持续数百皮秒,直到电荷复合使等离子体频率红移。的结构的全部行为建模的电动力学响应所建立的电子空穴等离子体在一个规则的天线阵列。
2016-06-10 cond-mat.mes-hall physics.optics
Mid-Infrared Plasmonic Biosensing with Graphene
红外光谱是通过生物分子的振动指纹进行化学鉴定的首选技术。然而,红外线与纳米尺寸分子的相互作用很差。在这里,我们利用石墨烯独特的电光特性来展示一种高灵敏度的可调等离子体生物传感器,用于蛋白质单层的化学特异性无标记检测。纳米结构石墨烯的等离子体共振被动态调谐以在不同频率下选择性地探测蛋白质并提取其复折射率。此外,石墨烯中的极端空间光限制比金属高出两个数量级,与纳米生物分子产生前所未有的高重叠,从而能够在检测其折射率和振动指纹时实现卓越的灵敏度。石墨烯的可调光谱选择性和增强的灵敏度的组合为生物传感开辟了令人兴奋的前景。
2015-06-24 physics.optics
Broadband and efficient plasmonic control in the near-infrared and visible via strong interference of surface plasmon polaritons
从理论和数值计算上证明了利用一对相控纳米缝可以实现近红外和可见光范围内表面等离子体激元的宽带可调谐控制。我们建立与耦合波模型,通过划分两个输入通道之间的入射功率相等的模拟支持,最大等离子体激元强度可交付到任何一方的纳米缝对是一个孤立的狭缝的两倍。对于宽带源,示出了具有波长的十分之一的量级的纳米缝分离的紧凑装置,以将几乎所有产生的等离子体激元转向一侧以获得相同的相位延迟,从而实现宽带单向等离子体激元发射器。所报道的效应可应用于超宽带和高效可调谐等离子体激元器件的设计。
2013-10-25 physics.optics
Strong Modulation of Infrared Light using Graphene Integration with Plasmonic Fano-Resonant Metasurfaces
等离子体超颖表面代表了一个有前途的平台,用于增强光-物质相互作用。超颖表面的光学响应的主动控制对于诸如光束转向、调制器和开关、生物化学传感器和紧凑型光电子器件的应用是期望的。在这里,我们使用具有两个Fano共振的等离子体超颖表面来增强红外线与电可控单层石墨烯的相互作用。实验表明,这些共振的窄光谱宽度,结合强光/石墨烯耦合,使反射率调制近一个数量级,导致调制深度高达90%。.数值模拟证明了在保持反射率几乎恒定的同时对反射光的相位进行强主动调制的可能性,从而为可调谐红外透镜和光束转向铺平了道路
2014-05-05 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Long wave infrared detection using probabilistic spintronic bolometer arrays
Elmore Family School of Electrical and Computer Engineering, Purdue University(普渡大学埃尔莫电气与计算机工程学院);Department of Physics and Astronomy, Purdue University(普渡大学物理与天文系);Department of Materials Engineering, Indian Institute of Science(印度科学学院材料工程系)
本文提出可扩展的多像素等离激元-自旋电子测辐射热计阵列,实现室温长波红外探测,具有高速读出和CMOS兼容性,可推动高像素密度红外成像。
2026-09-09 physics.ins-det physics.optics
Enhanced Emission from Ultra-Thin Long Wavelength Infrared Superlattices on Epitaxial Plasmonic Materials
分子束外延允许波长灵活的外延红外等离子体材料与量子工程红外光电有源区的单片集成。我们的实验表明,从超薄(1/32波长的总厚度)长波长红外(LWIR)超晶格生长在高度杂质半导体设计师的金属虚拟衬底上的光致发光的六倍增强相比,相同的超晶格生长在未掺杂的虚拟衬底上。通过并矢格林函数形式主义的发射过程的分析和数值模型与实验结果一致,并与所观察到的增强发射的结合Purcell增强由于表面等离子体模式以及方向性增强由于腔-基板-发射极相互作用。提出的结果提供了一个潜在的路径,高效,超亚波长长波红外发射器设备,以及单片外延架构提供的机会,调查耦合等离子体/光电材料中的光-物质相互作用的极限。
2019-10-25 physics.app-ph physics.optics
Mid-infrared Active Graphene Nanoribbon Plasmonic Waveguide Devices
掺杂石墨烯由于其多功能的外部控制功能以及其高度压缩的石墨烯表面等离子体(GSP)波长而成为中红外波长的活性等离子体材料的强有力竞争者。在本文中,我们设计了基于电压门控非均匀介质层上掺杂石墨烯纳米带(GNRs)的电调制的有源等离子体波导器件。我们首先开发了品质因数(FoM)公式来表征无源和有源石墨烯纳米波导的性能。基于FoM,我们选择最佳GNR来构建等离子体快门,其由放置在由Si纳米柱支撑的非均匀SiO $_2$衬底上的GNR组成。模拟研究表明,对于一个简单的50 nm长的等离子体快门,调制对比度可以超过30 dB。等离子体快门被进一步扩展以构建4端口有源功率分配器和8端口有源网络,两者都基于GNR交叉结波导。对于有源功率分配器,每个波导臂处的GSP功率传输可以由所施加的栅极电压独立地控制,具有高调制对比度和几乎相等的功率分配比例。从8端口有源网络的构造中,我们看到可以将GNR交叉结波导放大为大型复杂的有源波导网络,在中红外石墨烯等离子体集成纳米电路的令人兴奋的新领域中显示出巨大的潜力。
2013-12-30 cond-mat.mes-hall physics.optics
Graphene-based plasmonic switches at near infrared frequencies
介绍了石墨烯条形等离子体激元波导近红外波段串联开关的概念、分析和设计。通过使用石墨烯的场效应来选择性地启用或禁止石墨烯条形波导的一部分上的传播来实现切换,从而分别允许良好的传输或高隔离。使用全波模拟和传输线模型与矩阵传输方法相结合,该方法考虑到由设备的不同石墨烯条形波导部分支持的等离子体激元的特性,来执行所提出的结构的电磁建模。开关的性能进行评估与不同的参数的结构,包括周围的介电介质,静电门控和波导尺寸。
2013-09-02 cond-mat.mes-hall physics.optics
Active plasmonic switching at mid-infrared wavelengths with graphene ribbon arrays
通过理论和数值计算,研究了一种基于单层和少层掺杂石墨烯带阵列的中红外有源等离子体开关。结果表明,显着的谐振波长偏移和调制深度可以实现与石墨烯带的掺杂浓度的轻微变化。少层石墨烯带阵列器件在可实现的调制深度方面优于单层器件。我们的模拟表明,通过在0.2 eV和0.25 eV之间调制费米能级,四层石墨烯带阵列器件可以分别实现~13 dB和0.94微米的调制深度和谐振波长偏移,而单层器件的调制深度和谐振波长偏移分别为~2.8 dB和1.85微米。此外,简单的拟合模型来预测调制深度和谐振波长的偏移。这些前景为用于红外和THz应用的超快活性石墨烯基等离子体器件铺平了道路。
2013-08-29 cond-mat.mes-hall physics.optics
Infrared-Shielding of Plasmonic Random Metasurface Constructed by Cesium-Doped Tungsten Bronze
采用时域有限差分法对由球形或类球形纳米粒子组成的随机超颖表面在随机位移和/或随机变形下的热屏蔽性能进行了理论研究。利用超颖表面中纳米颗粒的总面积定义了有效覆盖率,并研究了近红外线反射对随机性的鲁棒性。当有效覆盖率高时,与六方密排完美超颖表面相比,纳米颗粒排列和形状随机性两者的近红外线反射降低至少20%。相反,当有效覆盖率低时,纳米颗粒排列的随机性对近红外线反射几乎没有影响。此外,纳米颗粒形状的随机性提高了近红外线反射性能。
2022-03-30 cond-mat.mes-hall physics.optics
Experimental Verification of the Spectral Shift between Near- and Far-Field Peak Intensities of Plasmonic Nanoantennas
理论预测了等离子体天线的近场和远场光学响应之间的明显光谱偏移。在这里,我们结合近场光学显微镜和远场光谱的个人红外共振纳米天线,实验验证这种光谱偏移。数值计算证实了我们的实验结果。我们进一步讨论了这种效应在表面增强红外光谱(SEIRS)的影响。
2013-01-23 physics.optics
Plasmonic antenna coupling to hyperbolic phonon-polaritons for sensitive and fast mid-infrared photodetection with graphene
集成和操纵范德华异质结构的纳米光电特性可以实现前所未有的光电探测和传感平台。红外光电探测器的主要挑战是将光汇集到一个小的纳米级有源区域,并有效地将其转换为电信号。在这里,我们通过将等离子体天线有效耦合到六边形BN中的双曲声子极化激元以将中红外线高度集中到石墨烯pn结中,在一个器件中克服了所有这些挑战。我们通过器件的几何形状来平衡石墨烯的吸收、导电性和导热性的相互作用。这种新方法产生了卓越的器件性能,具有室温高灵敏度(NEP为82 pW-per-square-root-Hz)和17纳秒的快速上升时间(设置限制)等,因此实现了目前最先进的石墨烯和商业中红外探测器中不存在的组合。我们还开发了一个多物理场模型,该模型与我们的实验结果具有良好的定量一致性,并揭示了对我们光响应的不同贡献,从而为进一步改进这些类型的光电探测器铺平了道路,甚至超出了中红外范围。
2020-05-30 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.ins-det
Hyper-doped silicon nanoantennas and metasurfaces for tunable infrared plasmonics
我们提出了实验实现的有序阵列的超掺杂硅纳米盘,表现出局部表面等离子体共振。通过在10 $^{20}$和10 $^{21}$ cm $^{-3}$之间调节自由载流子浓度,等离子体激元在2和5 $μ$ m之间的光谱窗口中是可广泛调谐的。我们发现,强红外线吸收可以实现与全硅等离子体超颖表面采用纳米结构的尺寸低至100 nm的直径和23 nm的高度。我们的数值模拟显示出与实验数据的良好一致性,并提供了关于纳米结构形状以及近场效应对超颖表面光学特性的影响的物理见解。我们的研究结果为集成全硅等离子体器件开辟了非常有前途的前景,例如用于化学或生物传感或热成像。
2021-03-09 cond-mat.mes-hall physics.optics
Infrared Metaplasmonics
本文提出metaplasmonics(超等离激元学)概念,通过制备超等离激元纳米带,在红外波段实现了强约束、高品质因数和35倍波长缩减,填补了近中红外等离激元材料空白。
2025-01-30 physics.app-ph physics.optics
Extreme mid-infrared field enhancement and anapoles in high-index plasmonic metamaterials
School of Physics and Astronomy, University of Birmingham(伯明翰大学物理与天文学学院);NanoPhotonics Centre, Cavendish Laboratory, University of Cambridge(剑桥大学卡文迪许实验室纳米光子学中心)
本文基于金纳米颗粒自组装超材料,实现中红外波段有效折射率超过15且间隙场增强两个数量级,并通过设计支持anapole的紧凑超材料器件进一步增强纳米间隙场,使量子发射器的受激辐射响应增强三个数量级。
2026-06-18 physics.optics
Electrically Programmable Pixelated Graphene-Integrated Plasmonic Metasurfaces for Coherent Mid-Infrared Emission
本文提出集成 Gr-FET 的电可编程等离子体超表面,通过协同空间温度与发射率调制实现像素化、宽波段、多偏振的相干中红外发射。
2024-05-06 physics.app-ph physics.optics
Mid- and far-infrared localized surface plasmon resonances in chalcogen-hyperdoped silicon
红外区域中的等离子体传感采用分子的振动指纹与等离子体共振的直接相互作用,从而创建优于传统光谱学的表面增强传感平台。然而,用于等离子体共振的标准贵金属遭受高辐射损耗以及制造挑战,例如将光谱共振位置调谐到中红外到远红外区域,以及与现有互补金属氧化物半导体(CMOS)制造平台的兼容性问题。在这里,我们证明了中红外局域表面等离子体共振(LSPR)的发生在薄的Si薄膜超掺杂与已知的深层次杂质碲。我们表明,中红外LSPR可以进一步增强和光谱扩展到远红外范围内,通过制造二维阵列的微米尺寸的天线在Te-超掺杂硅芯片。由于Te-超掺杂Si也可以用作红外光电探测器,我们相信我们的研究结果将开启等离子体传感器与单芯片CMOS平台直接集成的路线,大大提高了大规模制造高性能等离子体传感系统的可能性。
2022-10-07 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Graphene plasmonics for light trapping and absorption engineering
等离子体激元可用于改善光电子器件中的吸收,并且已被深入研究用于太阳能电池和光电探测器。石墨烯最近成为一种强大的等离子体材料。与传统的等离子体材料(如金和银)相比,它显示出明显更少的损耗,并且可以通过化学或电掺杂改变费米能量来调谐它的等离子体。在这里,我们提出了使用石墨烯等离子体用于光电子器件中的光捕获,并表明掺杂的纳米结构石墨烯中的局部等离子体激元的激发可以增强其周围介质中的光吸收,包括体积庞大的二维材料数十倍,这可能会导致新一代高效的,光谱选择性的中红外和太赫兹范围内的光电探测器。如果实现可见光和近红外的石墨烯等离子体,所提出的概念甚至可以彻底改变等离子体太阳能电池领域。
2015-05-12 physics.optics
Millivolt modulation of plasmonic metasurface via ionic conductance
我们在这里报告和实验证明了一个主动控制的门可调等离子体超颖表面工作在可见光区域的电磁波谱,其中引人注目的反射调制的工作电压远小于1V。电可调超颖表面由在石英衬底上的银和铬上图案化的反支墩结构(iDolmen)组成,随后覆盖有5 nm的Al2O3薄层,随后是110 nm的氧化铟锡(ITO)层,其充当透明电极。我们设计的结构在施加小电压(小于1V)时显示出高达78%的反射变化。我们解释这种行为通过离子电导的银通过氧化铝和ITO,导致主动电阻开关。有趣的互补效应,如在相同的结构中减少反射在一个宽带的波长上也被视为反向施加的偏置。结果提供了一个洞察使用的电阻开关的电控制光物质相互作用的等离子体超颖表面。
2016-07-12 physics.optics
Nanogap-Enhanced Infrared Spectroscopy with Template-Stripped Wafer-Scale Arrays of Buried Plasmonic Cavities
我们结合原子层光刻和模板剥离,以产生一类新的基板表面增强红外吸收(SEIRA)光谱。我们的结构包括一个埋和U形的金属-绝缘体-金属波导的折叠垂直臂有效地耦合垂直入射光。绝缘体通过Al 2 O3的原子层沉积(ALD)形成,并且精确地限定间隙尺寸。掩埋的纳米腔被硅模板保护免受污染,直到准备好使用并根据需要通过模板剥离暴露。暴露的纳米腔产生强烈的红外共振,将红外辐射紧紧限制在小至3 nm(λ/3300)的间隙中,并产生密集的毫米长热点阵列。在部分去除绝缘体后,间隙被苯乙烷分子回填,由于与间隙等离子体的强耦合而产生明显的Fano共振,并且对于3 nm间隙观察到10^5的SEIRA增强因子。由于晶圆级的可制造性,通过ALD对间隙尺寸的个位数纳米控制,以及通过模板剥离实现的长期存储,我们的掩埋等离子体纳米腔衬底将有利于传感和光谱学的广泛应用。
2022-04-16 physics.app-ph physics.optics
Large-area, wide-angle, spectrally selective plasmonic absorber
一个简单的超材料为基础的广角等离子体吸收体的介绍,制造,并使用角度分辨红外光谱实验表征。超材料是通过纳米压印光刻法制备的,这是一种用于制造大面积样品的有吸引力的低成本技术。超材料阻抗与真空阻抗的匹配是观测到的红外线光谱选择性“完美”吸收的原因。在单共振近似下理论计算了阻抗,并将负责任的共振确定为短程表面等离子体。实验表明,吸收峰的光谱位置(高达95%)由超材料的尺寸控制。从理论上解释了“完美”吸收的持久性与可变的超材料参数。吸收体的广角性质可用于表现出光谱选择性吸收/发射率的亚衍射尺度红外像素。
2011-04-15 physics.optics
Metal nanoparticle plasmons operating within quantum lifetime
我们研究了当金属纳米颗粒与量子发射体(例如量子点、分子)强耦合时,金属纳米颗粒上的等离子体激元振荡的动力学。我们模拟了一个简单模型:耦合经典-量子振子系统的密度矩阵演化。我们发现,等离子体激元振荡的寿命可以增加几个数量级,高达量子发射体的衰变时间。这种效应本身表现为spaser(通过辐射的受激发射的表面等离子体放大)实验中等离子体发射带的变窄[{ \it Nature},{ \bf 2009},460,1110],其中金纳米颗粒与周围分子相互作用。等离子体激元激发寿命的增加使得受激发射能够克服自发发射。这种增强是由于出现了类似于电磁感应透明(EIT)的现象。这种效应可以在纳米物理学的许多领域中找到应用,例如在等离子体激元的量子信息和提高太阳能电池效率中。
2013-06-20 physics.optics
Mid-Infrared Plasmonic Platform based on Heavily Doped Epitaxial Ge-on-Si: Retrieving the Optical Constants of Thin Ge Epilayers
n型Ge-on-Si外延材料平台为中红外等离子体提供了一种新的范例,促进了芯片实验室和亚波长振动光谱传感器的未来发展。为了开发这种材料,通过适当的电动设计,它是强制性的检索与高精度的薄Ge外延层的介电常数,由于体Ge晶体的差异。在这里,我们讨论的程序,我们已经采用了提取的实部和虚部的介电常数从垂直入射反射率测量,通过结合标准的多层拟合程序的基础上的德鲁德模型与Kramers-Kronig变换的绝对反射率数据在零透射范围内的薄膜。
2015-02-20 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Infrared Beam-shaping on Demand via Tailored Geometric Phase Metasurfaces employing the Plasmonic Phase-Change Material In3SbTe2
本文利用相变材料In3SbTe2的激光诱导绝缘体-金属转变,通过直接激光写入快速制造大面积几何相位超表面,实现红外光束偏转、聚焦、轨道角动量光束及多功能全息等按需光束整形。
2024-08-09 physics.app-ph physics.optics
Improvement of infrared single-photon detectors absorptance by integrated plasmonic structures
通过集成1/4波长金反射镜封闭的纳米光腔,提高了超导纳米线单光子探测器对p偏振光的吸收率(2)由垂直和水平金段封闭的纳米腔阵列(NCAI-SNSPD),(3)由较长的垂直金段组成的纳米腔偏转器阵列(NCDAI-SNSPD)成短-(p-)和长-(3 p-)周期性氮化铌(NbN)条带图案。在OC-SNSPD中,由于纳米腔底部的电场集中,在垂直入射到P取向的NbN条带上时可观察到最高吸收率。在短周期NCAI-SNSPD离轴照明的结果在几乎与极角无关的完美吸收率由于集体共振在S-取向的等离子体MIM纳米腔阵列。在长周期NCAI-SNSPD中,表面波激发现象促进了电磁场向S取向的NbN条带的传输,并导致局部吸收率最大值。在NCDAI-SNSPD适当的周期性大的吸收率最大值出现由于同步电场增强通过偏转SPP下面的NbN条纹在S-取向,这使得可能的填充因子相关的损失补偿。
2012-09-12 physics.optics
Mid-infrared Plasmonic Circular Dichroism Generated by Graphene Nanodisk Assemblies
将等离子体圆二色光谱带到中红外光谱区间是非常有趣的,并且有两个原因。该光谱区间对于热生物成像是非常重要的,同时,该光谱范围包括许多手性生物分子的振动线。在这里,我们证明了石墨烯等离子体确实提供了这样的机会。特别是,我们表明,手性石墨烯组件组成的几个石墨烯纳米盘可以产生强大的圆二色性(CD)在中红外区间。CD信号是由于特别设计的手性石墨烯组件中相邻纳米盘之间的等离子体激元-等离子体激元耦合而产生的。由于石墨烯层的厚度与入射光的波长之间的大尺寸失配,因此需要具有几百纳米的总高度的三维配置来获得中红外范围内的强CD信号。中红外CD强度主要由石墨烯纳米盘组装体的总尺寸(总高度和螺旋支架半径)以及其组成纳米盘之间的等离子体激元-等离子体激元相互作用强度决定。在石墨烯组装阵列中可以观察到正CD带和负CD带。等离子体CD光谱的频率间隔与一些重要的生物分子(例如DNA和许多不同的肽)的振动模式重叠,从而产生了通过将这些分子物质附着到石墨烯组件来增强这些分子物质的振动光学活性的可能性。同时,我们的结构中的手性中红外等离子体激元的光谱范围出现在人体热辐射的典型波长附近,因此,我们的手性亚结构可以潜在地用作热成像设备中的光学元件。
2017-09-07 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Scattering Suppression of Silica Microspheres with Semicontinuous Plasmonic Shell
通过在二氧化硅微球表面合成连续的金壳层,实验实现了二氧化硅微球对散射和吸收的抑制。这些分形的二氧化硅球上的金壳被证明在可见光和中红外光谱范围内具有显着的消光。结果表明,随着金覆盖率的增加,二氧化硅在可见光区的散射峰和在红外区的振动伸缩带的相对贡献逐渐减小。
2015-01-01 cond-mat.mes-hall physics.optics
Surface Enhanced Infrared Absorption mechanism and modification of the plasmonic response
本研究采用离散偶极近似数值探究SEIRA系统类法诺响应的起源,发现吸收截面变化源于等离激元共振改变而非直接分子响应,揭示灵敏度与分子对等离激元共振的影响相关。
2023-11-06 cond-mat.mes-hall physics.optics
3D Nanoporous Antennas for high sensitivity IR plasmonic sensing
纳米多孔金可用作等离子体材料,用于增强可见光和近红外光谱区域的光谱。特别是,相对于块体金属,它在红外线中呈现出有趣的光学特性,其中相对于常规材料,它呈现出显著更高的场限制。后者可用于实现对环境条件的极高灵敏度,从而实现感兴趣的传感器。在这里,我们比较了由纳米多孔金制成的等离子共振器与由大块金属制成的类似结构的灵敏度。增强的灵敏度的实验测试通过在两个考虑的结构上沉积相同化学计量的电介质材料来进行。这一结果也被短肽的生物传感所证实,可以归因于多孔金属中更好的场约束和增强。这表明纳米多孔3D结构作为传感器平台在近红外中的应用,灵敏度超过4.000 nm/RIU。
2019-09-03 physics.app-ph physics.optics
Near-Field Vibrational Energy Transfer for Mid-Infrared Upconversion in Plasmonic Nanogaps
University of Birmingham(伯明翰大学)
该研究通过近场振动能量传输实现中红外上转换,利用等离子体纳米间隙增强分子间相互作用,展示了振动能量向可见光发射的转换过程,并实现了超过0.3%的上转换效率。
2026-05-19 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.optics
Towards infrared toroidal photodevices: A Review
金属纳米结构中的等离子体激元激发可以直接衰减为动态电子-空穴对(EHP),可用于光电流产生。这种方法已被广泛用于开发具有显著响应度和量子效率的纳米等离子体激元光传感器件。特别令人感兴趣的是具有广泛技术应用的红外等离子体光电探测器,包括光谱学、生物传感和监视。这篇综述讨论了在红外光谱范围内纳米结构中等离子体增强光电流产生的理解和应用的基本原理、最新进展和趋势机制。通过突出和比较开发的技术,我们展示了新引入的方向实现高光子产额红外等离子体光电探测工具。作为现代光子学中一个有前途的概念,我们代表了环形元原子作为等离子体激元诱导的载流子发生器的出现,其具有非常规的精致特性,用于设计具有显着高响应度和光电流的先进,快速和下一代等离子体光电探测器。
2019-08-13 physics.app-ph physics.optics
Surface Protection and Activation of Mid-IR Plasmonic Waveguides for Spectroscopy of Liquids
本文通过ALD沉积约10 nm的Al2O3或ZrO2钝化层保护Ge/Au中红外等离子体波导免受水溶解影响,实现宽带液体检测,并证明ZrO2涂层波导经表面功能化后可在9.38 μm选择性测量乙醚。
2023-05-25 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
A copper negative index metamaterial in the visible / near-infrared
我们提出了一种在可见光/近红外波长具有负折射率的等离子体铜超材料的设计。利用数值模拟,我们证明了负折射的铜超材料棱镜,并执行参数提取技术,以验证的有效,介电常数和磁导率的符号。我们提出的设计具有与在可见光/近红外范围内工作的类似银基超材料相当的品质因数。这些发现对可见/近红外低成本等离子体激元器件和负折射率超材料的设计具有重要意义。
2011-08-22 physics.optics
Plasmonically enhanced spectrally selective narrowband MWIR and LWIR light detection based on hybrid nanopatterned graphene and phase changing vanadium oxide heterostructure operating close to room temperature
我们提出了一个超灵敏中红外(中红外)光电探测器的模型,该光电探测器工作在中波长红外(MWIR)和长波红外(LWIR)域,由纳米图案化石墨烯(NPG)和二氧化钒制成的混合异质结构组成(VO $_2$),其表现出$R\sim 10^4$ V/W的大响应度,超过$D^*\sim 10^{10}$ J的探测率,以及通过利用薄VO $_2$膜的相变,在接近室温的噪声等效功率$\mathrm{NEP}\sim 100$ fW/ $\sqrt{\rm Hz}$方面的灵敏度。我们提出的光电探测器可以达到近100%的吸收单层石墨烯由于局部表面等离子体(LSP)周围的图案化的圆孔。纳米图案的几何形状和静电栅极电势可用于在3和12 $μ$ m之间调节中IR区域中的吸收峰。在通过NPG片的光子吸收和由此产生的VO $_2$从绝缘相到金属相的相变之后,所施加的偏置电压$V_b$触发通过VO $_2$片的电流,该电流可以在约1 ms内被电子地检测到,比当前VO $_2$测辐射热计的检测时间短。我们设想的中红外光电探测器达到低温冷却碲镉汞光电探测器的探测率和灵敏度大于VO $_2$微测辐射热计,同时接近室温工作。
2021-03-18 cond-mat.mes-hall physics.optics
Giant Magneto-refractive Effect in Second Harmonic Generation from Plasmonic Antennas in the Mid-infrared
金属纳米结构在表面等离子体共振下表现出很强的非线性光学响应,从而提高了光-物质耦合效率。这种响应的主动调制可以通过外部磁场来实现。本文利用自旋电子多层天线的非线性磁折射效应,实现了中红外波段二次谐波(SHG)的20%共振调制。我们讨论了这种调制的机制,并表明,它不能被解释为一个不平等的增强的电磁场在两个自旋状态的多层。相反,我们提出了一个新的贡献的非线性极化率,这依赖于自旋相关的电子平均自由程在金属。与铁磁体中的磁光相比,我们的方法导致共振没有偏移,从而确保同时观察到最大的SHG和最强的调制。
2020-05-28 cond-mat.mes-hall cond-mat.other physics.optics
A multi-spectral and polarization-selective surface-plasmon resonant mid-infrared detector
我们展示了一个多光谱偏振敏感的中红外点阱(DWELL)光电探测器,利用表面等离子体共振元件,具有可定制的频率响应和偏振选择性。的表面等离子体探测器的共振响应度显示出高达5倍的未图案化的控制检测器的增强。由于等离子体共振器仅涉及顶部金属接触的表面图案化,因此该方法独立于光吸收材料,并且可以容易地与用于成像应用的当前焦平面阵列处理集成。
2009-07-16 physics.optics
Interferometric Measurement of Far Infrared Plasmons via Resonant Homodyne Mixing
我们提出了一种电调谐太赫兹二维等离子体干涉仪与集成的检测元件,下转换太赫兹场的直流信号。集成的检测器利用共振等离子体零差混合机制,该机制测量与用作本地振荡器的激发场同相的等离子体波的分量。研究了具有两个独立调谐路径的等离子体干涉仪。这些设备展示了一种用于开发片上光谱仪的方法,其中电长度的调谐起到类似于宏观傅里叶变换干涉仪中的物理路径长度的作用。
2016-05-10 cond-mat.mes-hall physics.optics
Single-peak and narrow-band mid-infrared thermal emitters driven by mirror-coupled plasmonic quasi-BIC metasurfaces
针对中红外窄带热源的温度稳定性与Q因数难题,提出镜面耦合等离激元准BIC超表面热发射器,实现Q约100、可调超窄单峰及300°C以上稳定共振。
2023-10-18 physics.app-ph physics.optics
Mid-infrared-perturbed Molecular Vibrational Signatures in Plasmonic Nanocavities
表面增强拉曼散射(SERS)的最新发展使人们能够在室温下实时观察单键振动。相比之下,中红外(MIR)振动光谱仅限于低效的慢速检测。在这里,我们开发了一种新的方法用于MIR传感使用SERS。该方法利用箔上纳米颗粒(NPoF)纳米腔,其在由单层分子形成的相同纳米间隙中支持可见光和MIR等离子体热点。来自单个NPoF纳米腔的分子SERS信号在MIR光子的存在下被调制。这种调制的强度取决于MIR波长,并且在置于箔下的SiO $_2$或聚苯乙烯的6 - 12 $μ$ m吸收带处最大化。使用单光子锁定检测方案,我们在几个100 ns的信号的上升和衰减的时间解决。我们的观察表明,声子共振的SiO $_2$可以捕获强烈的MIR表面等离子体在Reststrahlen带,调谐可见光波长的局部等离子体通过可逆地扰动纳米结构的裂缝。这为光力学耦合纳米级键振动提供了新的方法,有可能将检测极限降低到单光子和单分子范围。
2021-08-23 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.optics
Giant mid-IR resonant coupling to molecular vibrations in sub-nm gaps of plasmonic multilayer metafilms
能够限制光的纳米材料对于增强光谱学例如拉曼散射、红外吸收和非线性光学过程是期望的。等离子体超晶格已经显示出在中红外线中承载集体共振的能力,但需要严格的制造工艺来创建良好有序的结构。在这里,我们演示了如何短程有序的金纳米粒子多层镜,自组装的亚纳米分子间隔,支持集体等离子体极化激元共振在可见光和红外线,连续可调超过11 $μ$ m通过简单地改变纳米粒子的大小和层数。由此产生的分子等离子体激元系统接近振动强耦合,并显示巨大的Fano倾角强度,SEIRA增强因子~10 $^6$,轻物质耦合强度g~100 cm $^{-1}$,Purcell因子~10 $^6$,模体积压缩因子~10 $^8$。集体等离子体激元极化激元模式对纳米颗粒空位无序是高度鲁棒的,并且通过由分子间隔物限定的一致的间隙尺寸来维持。结构无序有效地将光耦合到多层膜和镜子之间的间隙中,从而实现亚皮升样品体积的拉曼和红外传感。
2022-06-14 cond-mat.mes-hall physics.optics
Gate-controlled mid-infrared light bending with aperiodic graphene nanoribbons array
石墨烯等离子体纳米结构能够实现从中红外到太赫兹频率的电磁能量的亚波长限制。通过利用在等离子体纳米结构的共振频率附近的光谱变化的光散射相位,可以控制入射光束的反射角度。我们证明,通过基于麦克斯韦方程组的全波电磁模拟,通过使用石墨烯纳米带的非周期性阵列的中红外线光束的反射角度的电控制,其宽度被设计为产生空间变化的反射相位分布,其允许朝向预定义方向的远场准直光束的构造。
2014-12-02 physics.optics
Longwave infrared multispectral image sensor system using aluminum-germanium plasmonic filter arrays
University of Melbourne(墨尔本大学)
多光谱照相机记录电磁光谱中各种波长的图像数据,以获取常规照相机无法捕获的附加信息。随着高分辨率图像传感器和滤色器技术的出现,可见光波段的多光谱成像仪在过去十年中变得越来越受欢迎,商业可行性也越来越高。然而,长波红外(LWIR:8至14微米)的多光谱成像仍然是一个新兴的领域,由于光学材料,滤波器技术和高分辨率传感器的有限可用性。来自长波红外多光谱相机的图像可以捕获物体的发射光谱,以提取人眼无法捕获的额外信息,因此在精确农业,林业,医学和物体识别中具有重要的应用。在这项工作中,我们实验证明了一个LWIR多光谱图像传感器与三个波段使用的光学元件制成的铝基等离子体滤波器阵列夹在锗。为了实现多光谱传感器,滤波器阵列然后被集成到堆叠在低分辨率单色热传感器上的3D打印轮中。我们的原型设备使用黑体进行校准,其热输出已与计算机视觉方法增强。通过应用最先进的深度学习方法,我们还将多光谱图像重建为更好的空间分辨率。科学上,我们的工作展示了一种多功能的光谱热成像技术,用于检测长波红外范围内的目标特征和其他先进的光谱分析。
2023-03-03 cs.LG eess.IV physics.app-ph
Polarization-sensitive GeSn Mid-Infrared Membrane Photodetectors with Integrated Plasmonic Metasurface
针对中红外光电子需求,本文展示集成Au等离子体超表面的转移印刷Ge₀.₈₉Sn₀.₁₁薄膜光电探测器,实现3.0μm以上截止波长、2.5μm响应度提升近四倍及4:1偏振对比度,且可通过超表面尺度调谐工作波长,实验与模拟吻合。
2025-11-18 physics.app-ph physics.optics
Advanced Mid-Infrared Plasmonic Waveguides For On-Chip Integrated Photonics
本研究针对长波红外光子器件小型化需求,将有机聚合物光刻与介质加载表面等离子体激元波导结合,制备出聚乙烯基中红外等离子体波导,验证了其低损耗导波能力,为片上中红外光子器件发展提供支撑。
2023-05-05 physics.app-ph physics.optics
3D Printable Plasmonic Titanium Nitride Nanoparticles Enhanced Thermoplastic Polyurethane Composite for Improved Photothermal De-Icing and Infrared Labeling
本研究制备了TiN增强的可3D打印TPU复合耗材,其打印图案光热性能优异,力学性能略有提升,在光热除冰、红外标记等领域有应用潜力。
2024-10-30 physics.app-ph physics.optics
Colloidal Titanium Nitride Nanobars for Broadband Inexpensive Plasmonics and Photochemistry from Visible to Mid-IR Wavelengths
开发具有高载流子密度的胶体等离子体纳米材料,其显示从可见光到中红外(MIR)范围的光共振和光化学活性仍然是一个具有挑战性的追求。在这里,我们报告的氮化钛(TiN)纳米棒的制造使用两个步骤的基础上的湿化学路线合成的TiO 2纳米线和随后的高温退火氨流。所得TiN纳米棒的电磁模拟揭示了一组丰富的光学共振,其特征在于横向,纵向和混合横向纵向等离子体激元模式,覆盖从可见光到MIR区域的能量。修饰有Pt助催化剂纳米晶体的TiN纳米棒在940 nm处的近红外激发下由于增强的热电子产生而显示出与相似尺寸的各向同性TiN纳米球和TiN纳米立方体相比增强的光催化析氢活性。我们还表明,等离子体TiN纳米棒可用于检测糠醛分子的振动,通过提供一个强大的表面增强红外吸收(SEIRA)的影响,在MIR区域。
2022-09-10 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Model for quantum efficiency of guided mode plasmonic enhanced silicon Schottky detectors
基于内部光电发射过程的等离子体增强肖特基探测器正在成为探测具有亚带隙能量的光子的有吸引力的选择。然而,与基于半导体中的带间跃迁的更常规的探测器相比,这些探测器的量子效率似乎较低。在此基础上,以硅等离子体激元器件为平台,建立了一个预测导模内光电探测器量子效率的理论模型。该模型得到了数值模拟和与实验结果比较的支持。最后,我们讨论了进一步提高量子效率的方法。
2014-01-12 cond-mat.mes-hall physics.optics
Design of Dual-Band Plasmonic Absorber for Biomedical Sensing and Environmental Monitoring
本文设计了一种基于银纳米结构的双波段等离激元吸收器,利用局域与间隙表面等离激元共振在近红外和中红外波段实现高折射率灵敏度传感,可用于生物医学检测与环境监测。
2024-11-19 physics.app-ph physics.optics