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0““如1微加工简报 2012年第4期 国内进展 金刚石/催化钼/硅量子阱纳米结构中的共 中远红外区外延与多晶Ag膜中表面等离激 振遂穿场发射特性研究 元调制的光学异常透射比较 金刚石薄膜是理想的平面冷阴极材料,其功函数低、具有负电子 表面等离激元(SPPs)是外界光场与金属中自由电子相互作用 亲和势以及优异物理化学性能。但金刚石与衬底间的界面势垒使金的电磁模。SPPs只能发生在介电参数符号相反的界面两侧。SPPs 刚石表面遂穿的电子数目大量减少,阻碍了电子的传输并降低了发能够突破衍射极限,并具有很强的局域场增强特点,可以实现纳米 射电流密度。因此,怎样改善发射体与衬底间的界面状态,降低发尺度的光信息传输与处理,在高灵敏生物检测、传感和新型光源等 射值,提高发射电流密度和稳定性,。息是本领域的研究重点 获得了广泛的应用。但目前大多数sPPs器件都是在颗粒状金属薄 膜上构建的,由颗粒边界以及粗糙的表面引起的损耗较大,限制了 器件实验室吕文刚副研究员与德国 Siegen大学姜辛教授和德国 这一类器件的应用。最近,已有大量的研究探索怎样提高金属表面 Juelich研究中心 S, Mant教援合作,将金属性的coSi2作为过渡层引平整度并发现在可见光区,多晶材料SPPs纳米激光器具有极大的散 子在穿过界面双势垒结构时发生共振遂穿,从而降低金刚石表面的泛地应用,因此很有必要研究外延与多晶材料SPPs器件中表面平整 电子发射阈值并明显提高了其发射电流密度。这一结构具有稳定性 好、发射阅值低和电流密度高等特点。而且文中系统研究了外延究 员课题组与微加工实验室等合作,采用角分辨光谱学研究了生长 CoS2薄膜的厚度、CoS薄膜上金刚石的取向等因素对场发射特性 在Si衬底上的外延单晶与多晶Aq薄膜上的表面等离激元传播特性 的影响并建立了相关的共振遂穿模型,证明了材料表面的电子发射 并通过光学异常透射特性分析了表面等离激元震荡特性。从实验与 可以通过控制界面处的电子共振遂穿过程来调控。这一研究结果在理论上研究证实了在红外波段,表面粗糙度对SPPs的传播具有重 高性能真空电子器件和大面积冷阴极平板显示器件领域具有潜在的要的影响。该工作发表在 Nano le12(2012)6187上,得到国家 得到自然科学基金委与国家重点基础研究发展计划等的资影2)上 应用。该工作发表在 SCIENTIFIC REPORTS|2:746(20 重点基础研究发展计划与国家自然科学基金委等的资助 vacuum leve 金刚石coSS量子阱结构的电子发射示意图、特性及穿模型 延与多晶A膜上实验与计算的角分辨光学异常透射特性 红外波段极化不敏感、宽角、双带近完美 具有恒定非谐振透射的法诺共振的局部旋转 超材料吸波体 对称效应 基于超材料电磁耦合谐振特性的完美吸收材料引起了广泛的关 人工微结构分离孔洞中的非谐振透射与受表面等离激元调制的共振 注,在光电探测、热像仪、太阳能转换以及为热辐射计等方面有着潜透射耦合产生的法诺共振,可通过其远场光响应特性,即非对称线型光 在的应用n根据应用需求,超材料吸波体研究已从窄带,宽带双带请的形状来进行表征。结构对共振透射的影响规律研究中,怎样使非谐 拓展到多带。其中,双带超材料吸波体在光谱探测,被禁毒品的相位振透射通道与法诺共振峰的位置保持不变很富有挑战性,且目前关于 成像以及爆炸性材料探测应用上,吸引了尤为广泛的关注:这些材料常透射超材料结构中法诺共振的研究多集中在可见与太拉赫兹波段,而 少有效的制备同时具有极化不敏感、宽角、双带近完美超材料吸波体鉴此,中科院物理所Sc3组丘祥冈研究员课题组与微加工实验室等合作, 合作,设计制备了包括Au平面层、A山2O3介质隔离层以及金图形层的采用十二面体超晶胞结构,设计制备了三种具有十二重准周期结构的亚 简单周期结构。实验证实这种结构对横向电场与磁场均具有非极化 波长孔洞阵列,并通过远红外透射研究了这些结构的法诺共振特性,对 高吸收率(74%与96%)、双带吸收及较宽的光入射角等优点。这 低阶法诺共振模式的透射特性比较发现十二重准周期亚波长孔洞阵列结 枃的局部旋转对称性越高,其透射光越强并且法诺共振峰谱线越窄。该 研究为非极化、宽角入射波吸收应用提供了新的方法。该工作已发表工作发表Apl.Phys.Let.101(2012)03114上,得到国家重点基础 在J.opt14(2012)085102上,得到国家重点基础研究计划以及国 家自然科学基金委等的资助。 研究发展计划与国家自然科学基金委等的资助 三 入射光极化方式、超材料结构及其反射与吸收谱 Au/Ta/S衬底上的局部旋转对称结构及其透射谱微加工简报 2012年 第4期 1 国 内 进 展 具有恒定非谐振透射的法诺共振的局部旋转 对称效应 人工微结构分离孔洞中的非谐振透射与受表面等离激元调制的共振 透射耦合产生的法诺共振,可通过其远场光响应特性,即非对称线型光 谱的形状来进行表征。结构对共振透射的影响规律研究中,怎样使非谐 振透射通道与法诺共振峰的位置保持不变很富有挑战性,且目前关于异 常透射超材料结构中法诺共振的研究多集中在可见与太拉赫兹波段,而 红外波段在生物传感、成像以及多功能混合集成方面具有潜在的应用。 鉴此,中科院物理所SC3组丘祥冈研究员课题组与微加工实验室等合作, 采用十二面体超晶胞结构,设计制备了三种具有十二重准周期结构的亚 波长孔洞阵列,并通过远红外透射研究了这些结构的法诺共振特性,对 低阶法诺共振模式的透射特性比较发现十二重准周期亚波长孔洞阵列结 构的局部旋转对称性越高,其透射光越强并且法诺共振峰谱线越窄。该 工作发表Appl. Phys. Lett. 101 (2012) 031114上,得到国家重点基础 研究发展计划与国家自然科学基金委等的资助 Au/Ta/Si衬底上的局部旋转对称结构及其透射谱 红外波段极化不敏感、宽角、双带近完美 超材料吸波体 基于超材料电磁耦合谐振特性的完美吸收材料引起了广泛的关 注,在光电探测、热像仪、太阳能转换以及为热辐射计等方面有着潜 在的应用。根据应用需求,超材料吸波体研究已从窄带、宽带、双带 拓展到多带。其中,双带超材料吸波体在光谱探测,被禁毒品的相位 成像以及爆炸性材料探测应用上,吸引了尤为广泛的关注;这些材料 在不同频率上具有显著的吸收或指纹特征。然而目前的研究中,还缺 少有效的制备同时具有极化不敏感、宽角、双带近完美超材料吸波体 的研究。鉴此,南开大学的田建国教授课题组与物理所微加工实验室 合作,设计制备了包括Au平面层、Al2O3介质隔离层以及金图形层的 简单周期结构。实验证实这种结构对横向电场与磁场均具有非极化、 高吸收率(74% 与96%)、双带吸收及较宽的光入射角等优点。这一 研究为非极化、宽角入射波吸收应用提供了新的方法。该工作已发表 在J. Opt. 14 (2012) 085102上,得到国家重点基础研究计划以及国 家自然科学基金委等的资助。 入射光极化方式、超材料结构及其反射与吸收谱 中远红外区外延与多晶Ag膜中表面等离激 元调制的光学异常透射比较 表面等离激元(SPPs) 是外界光场与金属中自由电子相互作用 的电磁模。SPPs只能发生在介电参数符号相反的界面两侧。SPPs 能够突破衍射极限,并具有很强的局域场增强特点,可以实现纳米 尺度的光信息传输与处理, 在高灵敏生物检测、传感和新型光源等领 域获得了广泛的应用。但目前大多数SPPs器件都是在颗粒状金属薄 膜上构建的,由颗粒边界以及粗糙的表面引起的损耗较大,限制了 这一类器件的应用。最近,已有大量的研究探索怎样提高金属表面 平整度并发现在可见光区,多晶材料SPPs纳米激光器具有极大的散 射损耗并严重影响了其发光性能。由于SPPs在中远红外区具有极广 泛地应用,因此很有必要研究外延与多晶材料SPPs器件中表面平整 度与晶界对器件性能的影响。鉴此,中科院物理所SC3组丘祥冈研 究员课题组与微加工实验室等合作,采用角分辨光谱学研究了生长 在Si衬底上的外延单晶与多晶Ag薄膜上的表面等离激元传播特性, 并通过光学异常透射特性分析了表面等离激元震荡特性。从实验与 理论上研究证实了在红外波段,表面粗糙度对SPPs 的传播具有重 要的影响。该工作发表在 Nano Lett. 12 (2012) 6187 上,得到国家 重点基础研究发展计划与国家自然科学基金委等的资助。 外延与多晶Ag膜上实验与计算的角分辨光学异常透射特性 金刚石/硅化钼/硅量子阱纳米结构中的共 振遂穿场发射特性研究 金刚石薄膜是理想的平面冷阴极材料,其功函数低、具有负电子 亲和势以及优异物理化学性能。但金刚石与衬底间的界面势垒使金 刚石表面遂穿的电子数目大量减少,阻碍了电子的传输并降低了发 射电流密度。因此,怎样改善发射体与衬底间的界面状态,降低发 射阈值,提高发射电流密度和稳定性,一直是本领域的研究重点。 最近,中科院物理研究所微加工实验室顾长志研究员和纳米物理与 器件实验室吕文刚副研究员与德国Siegen大学姜辛教授和德国 Juelich研究中心S.Mantl教授合作,将金属性的CoSi2作为过渡层引 入到金刚石膜与硅衬底间,形成金刚石/CoSi2 /Si量子阱结构,使电 子在穿过界面双势垒结构时发生共振遂穿,从而降低金刚石表面的 电子发射阈值并明显提高了其发射电流密度。这一结构具有稳定性 好、发射阈值低和电流密度高等特点。而且文中系统研究了外延 CoSi2薄膜的厚度、CoSi2薄膜上金刚石的取向等因素对场发射特性 的影响并建立了相关的共振遂穿模型,证明了材料表面的电子发射 可以通过控制界面处的电子共振遂穿过程来调控。这一研究结果在 高性能真空电子器件和大面积冷阴极平板显示器件领域具有潜在的 应用。该工作发表在 SCIENTIFIC REPORTS | 2 : 746 (2012)上, 得到自然科学基金委与国家重点基础研究发展计划等的资助。 金刚石/CoSi2 /Si量子阱结构的电子发射示意图、特性及隧穿模型
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