硒化锌/液晶分子锚定对表面等离激元激发调控及应用研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:alikeboy
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
随着光电材料研究的深入和微纳光学加工工艺的成熟,光电功能器件也在朝着集成化、小型化、多功能化和主动可调等方向发展。因此,利用石墨烯、二硫化钼、氮化硼等单层二维材料探索量子化光电效应的研究应运而生并成为热点之一。同样,金属氧化物半导体(Metal-Oxide Semiconductor,MOS)能够形成聚集在界面的超薄电荷积累层,并由于其准二维特性受到了广泛的关注,此积累层在电学控制领域发挥着重要作用。由于材料电学性质的差异,不同材料界面会形成一层极薄的电荷积累层,该电荷层在沿着界面方向具有极高的自由度,因此被称为二维电子气。这种在界面处的准二维材料因能够和电磁波发生剧烈耦合进而形成表面等离极化激元(Surface Plasmon Polaritons,SPP)而备受关注,形成的SPP将电磁场限制在极薄的空间内能够显著提升光子态密度。这一研究在纳米光学天线、光学隐身、光电通讯、医学成像、微纳激光器和量子霍尔效应等领域都具有十分广泛的应用前景。为了进一步实现对光电功能器件的主动调控,液晶层因具有电控可调光学性质被集成在不同功能的器件中。利用液晶的可调控属性实现对SPP的主动调制有助于新型主动光电器件的研发。本论文对半导体硒化锌(Zn Se)薄膜和液晶层在界面处的光电相互作用进行了深入研究,并对界面处聚集的二维电子气和界面静电改性情况进行了详细分析。系统地研究了位相光栅介导的液晶/Zn Se界面的SPP激发,并进一步分析SPP对衍射的影响。最后设计了一种能够集成液晶层的电控调谐局域等离激元共振响应的微纳平面内周期性结构,并从理论和数值角度进行分析。首先,我们深入分析了电子束蒸镀的Zn Se薄膜的表面情况,利用表面不饱和电荷实现了对5CB液晶分子的单边锚定效应和垂直取向,并通过密度泛函理论深入分析了液晶分子中的氰基在表面的吸附作用。我们还进一步利用此种简洁的垂直取向机制设计了一种基于外电场控制的相位调制器,实现了入射光线偏振方向的旋转和55.6%的透射率调制。随后,我们通过密度泛函理论详细分析了界面处Zn Se和5CB分子之间的电荷转移和电子跃迁,并发现由于两种材料电学性能的差异在界面处会形成一层电荷积累层。通过使用Thomas-Fermi屏蔽模型和泊松扩散方程得到界面处的电子密度能够达到4.86×1028 m-3,并在1 nm的深度内迅速衰减。在高电子密度的作用下界面形成了一层静电改性层,我们使用引入额外电荷的方法计算了不同电子密度下的Zn Se光学性质,结果表明在此电荷积累的位置能够表现出极强的金属性。更进一步,我们把能够产生电荷积累的材料拓展至Zn O和Zn S,并通过理论计算不同材料在改性后的光学性质差异,发现其表现金属性的范围随着晶格常数的缩短而蓝移,而且发现能够产生金属化的材料有一定的限制。利用液晶层内的光折变光栅和界面处负的介电常数实部,我们实现了界面等离激元的激发,同时深入分析了SPP对入射多光束及毗邻液晶层的作用,并以此阐释反常多级次二维光斑及光束间极高能量耦合。最后,我们设计了一种能够在入射光激励下形成局域等离激元共振的超表面结构。通过激发一组金属棒结构的等离激元并使其与另一个单金属棒的等离激元耦合,两种不同结构的纳米光学天线在入射光线的激励下激发的等离激元能够相互耦合,成功消除了单一结构的本征吸收模式,即消除了504.1THz处的吸收峰,进而体系经过局域等离激元的耦合在此处表现出高度的透明性,实现了等离激元诱导透明。入射光的偏振状态是决定此超表面结构等离激元振荡模式的关键,我们也引入了一层液晶层以改变入射光的偏振状态,以此实现低电压调控超表面的等离激元响应。最终设计出一种调制器,在932.5 nm处的调制深度超过85.9%。同时我们也进一步分析了单元结构与表面等离激元共振之间的关系。本研究将为液晶与半导体器件整合提供新的思路,并拓展了广义二维材料,同时也为研究半导体界面改性和可调谐SPP提供了实验基础,在光控主动调制器件、光逻辑门及等离激元器件研发等方面有着广泛的应用前景。
其他文献
无线传感器网络是帮助人们认知、探索物理世界的重要工具,也帮助人们打破了信息世界与物理世界之间的壁垒。然而,由于传感器节点的供电单元一般为电池,使得传感器网络的网络寿命受限。同时,废弃的传感器节点中的电池也会对环境造成不可逆的污染。这两点严重阻碍了传感器网络的进一步发展。为了解决这个问题,研究者提出了无源传感器网络。无源传感器网络是由无源传感器组成的网络。无源传感器节点自身不携带电源,但可以从周围环
背景与目的:脑胶质瘤是常见的中枢神经系统原发性恶性脑肿瘤之一,胶质母细胞瘤恶性程度高、侵袭性强、容易复发,复发后患者的预后极差。筛选胶质母细胞瘤复发相关的基因,并分析其在胶质瘤中的表达、临床病理学参数和预后的关系。方法:通过对GEO数据库中胶质母细胞瘤相关数据集进行挖掘,筛选包含胶质母细胞瘤原发和复发病例的相关数据集,并分析胶质母细胞瘤原发病例和复发病例样本间的差异表达基因(differentia
近年来,受其他学科和众多工程技术领域应用需要的驱动,非线性反问题引起了国内外学者的极大兴趣和高度重视。其中涉及对扩散光学层析成像、光声成像、半导体的掺杂问题、多边界测量参数识别等问题的反演理论、算法及应用研究尤为引人关注。从数学视角出发,这些问题均可抽象为包含多个非线性不适定算子方程的数学模型。然而,解决这类问题不仅面临非线性性和不适定性的双重困扰,还因问题本身规模巨大而对算法的计算效率、计算机的
复杂网络的同步性因其在图像处理、多智能体系统、安全通信等领域的广泛应用,已经成为了当今重大研究课题之一。在实际中,时滞现象不可避免地存在,在时滞复杂网络的同步研究中,如何定量刻画网络的同步能力,网络的拓扑结构是如何影响同步性行为等问题在理论和实际上都具有十分重要的意义。在没有外力的作用下,网络通过自身的拓扑结构很难达到同步,因此,利用控制方法实现网络系统的同步是十分必要的。间歇控制在节省能量和信息
随着近年来我国航空宇航领域的快速发展,航天器系统中如宇航探测、高频通信等技术进一步对电子、光学器件提出了功能综合性、集成性和小型化的要求,也因此带来了由电路及芯片结构复杂、单位功率增加等造成散热不足的严重问题,导致器件寿命大幅缩减甚至过热破坏,因此亟需更为优良的材料和器件结构设计等解决方案。集热、力、光、电等优异属性于一身的金刚石材料及其器件,可满足航空宇航领域先进装备对功率器件高通量热管理技术的
圆柱体入水复合运动是指具有一定速度和倾角的圆柱体砰击液面进入水域多自由度运动的过程,是在非常短时间内涉及介质突变和结构响应,以及气体、液体和固体之间强耦合的复杂多相流动问题。圆柱体入水复合运动形成与经典的垂直入水截然不同的入水流动现象,入水空泡演化、流场特征、水动力特性和运动特性等均出现根本性的改变。此外,圆柱体入水复合运动问题的研究被广泛应用于海洋工程和航空航天等领域,如船舶砰击、鱼雷空投和运载
分数阶偏微分方程是整数阶偏微分方程的一种推广和延伸,能够有效描述具有遗传特性或记忆现象的独特性质,在过去二十年里被广泛应用于反常扩散、黏弹性力学、量子力学、等离子体以及系统识别等领域。通常,分数阶偏微分方程的精确解很难求出,或者即使能够求出也往往含有一些复杂且难以计算的特殊函数(如Mittag-Leffler函数、Wright函数以及超几何函数等),给实际应用带来了很大的困难。因此,构造求解分数阶
编织复合材料由于高的比刚度、比强度等众多优异的力学性能,在工程中具有广泛的应用,而编织复合材料及其结构的力学行为直接由其微结构所决定。采用多尺度的计算方法,利用微结构对编织复合材料及其结构的力学响应进行预报,则计算量巨大,效率较低,有时甚至无法完成计算任务,为了提高多尺度计算效率,本文以基于聚类分析的单胞降阶模型(Self-consistent Clustering Analysis,SCA)为基
随机微分方程理论不仅是对确定性微分方程理论的推广,更体现了人们对现实世界本质的进一步认识。但随机微分方程本身的复杂性导致其求解往往只能依赖数值方法。当前数值计算研究领域的普遍共识是“数值方法应当尽可能地保持原问题的本质特性”。本文以此为出发点,研究求解流形上(具有守恒量或李群结构)随机微分方程的数值方法。主要研究内容如下:投影思想是保守恒量数值方法最经典的构造思想之一。随机标准投影方法的的优点在于