碳纳米管中一维等离激元的反射相位研究

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传播电磁模式在界面上的反射相位问题是非常基本的物理问题。传统平面电磁波在介质界面的反射相位可以由菲涅耳反射公式来描述,被广泛熟知。然而,限制在低维材料体系中的传播电磁模式——极化激元的反射相位问题却在长时间内没有得到关注。随着近几年低维材料,如石墨烯,六方氮化硼,碳纳米管纳米光学表征的逐渐兴起,实验上实现高空间限域且高质量因子的极化激元成为可能,这为研究低维电磁传播模式的反射相位问题提供了良好的契机。已有文献报道二维极化激元的反射相位,并给出了相应的物理机制。本论文系统地研究了碳纳米管中一维极化激元的反射相位,在实验与理论方面做出如下工作。实验上,使用扫描近场光学显微镜探测到了一维表面等离激元在碳纳米管端点处具有非零反射相位移动。碳纳米管是目前已知最理想的一维电子体系。利用扫描近场光学显微镜的针尖增强效应,可以激发金属性碳纳米管中的电子-光子耦合模式,即表面等离极化激元模式。我们在实验上激发出高质量的一维极化激元,并较为精确地确定了其在一系列激发红外激光波长下的反射相位。理论上,通过COMSOL有限元电磁模拟,得到了与实验上一致的极化激元模式及其反射相位。我们进一步发展了一个解析理论来理解与刻画碳纳米管中极化激元的非零相位变化。我们的理论表明,一维极化激元的反射相位对极化激元波长和纳米管直径有很强的依赖性,这与石墨烯中反射相位为常数的二维表面等离极化激元形成鲜明对比。在等离极化激元波长远小于真空自由光波长的区域内,一维极化激元的反射相位只取决于无量纲变量——极化激元波长与纳米管直径之比。我们的研究结果可以为一维传播电磁模式的反射特性提供基本的理论依据,并为超小型一维等离激元器件的设计与实现提供了可能。
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