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本發(fā)明公開一種基于人工表面等離激元的微波渦旋波發(fā)生器。該結(jié)構(gòu)工作在微波頻段，由雙層人工表面等離激元波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)對(duì)于電磁波的傳輸，上層波導(dǎo)和下層波導(dǎo)之間的連接通過一個(gè)金屬過孔實(shí)現(xiàn)。該微波渦旋波發(fā)生器的輻射部分主要由一系列放置在人工表面等離激元波導(dǎo)旁邊的圓形貼片實(shí)現(xiàn)，同時(shí)這些圓形貼片作為諧振器也提供了產(chǎn)生不同的渦旋波所需的相位。這種微波渦旋波發(fā)生器可以在不同頻率處實(shí)現(xiàn)具有不同軌道角動(dòng)量模式的渦旋波，而不需要在結(jié)構(gòu)上做出任何改變。

成果介紹超材料(Metamaterial),或其二維形式—超表面(Metasurface)由具有亞波長(zhǎng)尺寸的人工原子周期或者非周期地排列而成,其描述方式可分為等效媒質(zhì)和空間編碼兩種形式。由等效媒質(zhì)描述的超材料(或超表面)我們稱之為新型人工電磁媒質(zhì),由空間編碼描述的超材料(超表面)我們稱之為編碼超材料(超表面)和數(shù)字超材料(超表面)。對(duì)于新型人工電磁媒質(zhì),人們通過自由設(shè)計(jì)單元結(jié)構(gòu)、單元排列方式、以及單元各向異性,可以根據(jù)意愿控制等效媒質(zhì)的媒質(zhì)參數(shù),實(shí)現(xiàn)自然界中不存在或者很難實(shí)現(xiàn)的介電常數(shù)和/或磁導(dǎo)率,進(jìn)而控制電磁波。本成果對(duì)于新型人工電磁媒質(zhì)對(duì)電磁波的調(diào)控作用,例如隱身衣、電磁黑洞、雷達(dá)幻覺器件、遠(yuǎn)場(chǎng)超分辨率成像透鏡、新型透鏡天線、隱身表面、極化轉(zhuǎn)換器、人工表面等離激元器件及混合集成電路等。技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)及參數(shù)對(duì)于編碼和數(shù)字超材料(超表面),我們提出基于空間編碼調(diào)控電磁波的新思路。其中,一比特編碼超材料選用相位差接近180度的兩種基本單元(記為0單元和1單元),按照一定規(guī)律排列0和1單元構(gòu)成超材料,以實(shí)現(xiàn)所需的設(shè)計(jì)功能。當(dāng)電磁編碼采用FPGA控制時(shí),可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)可編程超材料,即單一的超材料在FPGA的實(shí)時(shí)控制下可實(shí)現(xiàn)多種功能(例如單波束、多波束、波束掃描、隱身功能等)。市場(chǎng)前景本成果獲得國家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)。該項(xiàng)目突破傳統(tǒng)模擬超材料的等效媒質(zhì)表征方法，創(chuàng)造性地提出用 0 和 1 表征的數(shù)字超材料，建了數(shù)字編碼和現(xiàn)場(chǎng)可編程超材料新體系；在國際上率先從微波傳輸線的角度研究人工 SPP 超材料，提出一種性能優(yōu)越的超薄、可共形 SPP 傳輸線，開辟了基于 SPP 模式的微波領(lǐng)域新分支，實(shí)現(xiàn)了超材料研究從跟跑、并跑變成走在世界前列的跨越。

利用了碳納米管在電驅(qū)動(dòng)下優(yōu)異的光學(xué)性能和極小的直徑，將碳納米管電子學(xué)器件與表面等離激元條形波導(dǎo)集成在一起，實(shí)現(xiàn)了集成表面等離激元電驅(qū)動(dòng)源、表面等離激元條形波導(dǎo)和表面等離激元近場(chǎng)探測(cè)器的表面等離激元互聯(lián)器。

本發(fā)明公開了一種基于人工表面等離激元的同頻雙圓極化漏波天線，包括介質(zhì)基板，覆蓋在該介質(zhì)基板上表面的金屬條帶以及覆蓋在該介質(zhì)基板下表面的金屬地板；金屬條帶包括兩端的帶地共面波導(dǎo)匹配結(jié)構(gòu)和中間的人工表面等離激元結(jié)構(gòu)；人工表面等離激元結(jié)構(gòu)包括上下兩個(gè)邊帶，每個(gè)邊帶包括若干調(diào)制周期排布的人工表面等離激元單元結(jié)構(gòu)；上下兩個(gè)邊帶之間開槽單元結(jié)構(gòu)形成90°的角度，且上下兩個(gè)邊帶對(duì)稱設(shè)置，并有錯(cuò)位。本發(fā)明為雙端口漏波天線，不同的端口饋電將產(chǎn)生不同的輻射模式，可在8.6?9.0GHz內(nèi)實(shí)現(xiàn)雙

激光在芯片上光互連上的應(yīng)用就直接要求激光器的特征尺度接近電子器件，并且其功耗要小于成熟的電互聯(lián)，應(yīng)約在10飛焦每比特量級(jí)。激光器的功耗與其尺度呈正相關(guān)的關(guān)系，10飛焦每比特量級(jí)的功耗直接要求激光器的模式體積要小于約0.02個(gè)波長(zhǎng)立方。

本發(fā)明包括一種多枝樹形等離激元波導(dǎo)復(fù)合納米結(jié)構(gòu)的合成及其光學(xué)操控方法，該合成方法包括多個(gè)步驟，每個(gè)步驟均可精確控制。樹形納米結(jié)構(gòu)的主干和在其上生長(zhǎng)的枝狀納米結(jié)構(gòu)的粗細(xì)均可精確控制，在樹形納米結(jié)構(gòu)表面疊加有殼或無殼的量子點(diǎn)形成量子點(diǎn)復(fù)合樹形納米結(jié)構(gòu)，無殼量子點(diǎn)可用于化學(xué)催化、環(huán)境監(jiān)測(cè)、生物傳感等應(yīng)用。光從納米線一端入射，經(jīng)納米線及枝狀結(jié)構(gòu)，激勵(lì)有殼量子點(diǎn)發(fā)光，可用于遙感拉曼、新型激光器等應(yīng)用。通過光學(xué)操控可改變?nèi)肷涔獾膹?qiáng)度和偏振態(tài)，控制特定區(qū)域的量子點(diǎn)發(fā)光，可消除散射中心之間干涉衍射效應(yīng)產(chǎn)生的串?dāng)_效應(yīng)，從而可用于亞波長(zhǎng)的高分辨率探測(cè)。

課題主要通過優(yōu)化設(shè)計(jì)及制備高品質(zhì)金屬/介質(zhì)納米復(fù)合結(jié)構(gòu)，研究金屬納米結(jié)構(gòu)及介質(zhì)材料生長(zhǎng)的新方法，并研究電子束激勵(lì)條件下，納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的等離激元共振模式及能量轉(zhuǎn)移物理機(jī)制，激勵(lì)電壓對(duì)等離激元共振模式的調(diào)控規(guī)律。

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展了獨(dú)特的液態(tài)金屬旋涂工藝，制成了金屬鈉薄膜，首次揭示了金屬鈉膜的優(yōu)異光波段等離激元特性。

在傳統(tǒng)貴金屬（金、銀等）之外發(fā)掘出具有高性能等離激元效應(yīng)的非金屬新材料，是當(dāng)前等離激元學(xué)基礎(chǔ)研究及應(yīng)用研發(fā)的一個(gè)熱點(diǎn)與難點(diǎn)。金屬氧化物半導(dǎo)體材料具有豐富可調(diào)的光、電、熱、磁等性質(zhì)，對(duì)其采取氫化處理可有效修飾其電子結(jié)構(gòu)，從而獲得豐富可調(diào)的等離激元效應(yīng)；此處的一個(gè)關(guān)鍵性挑戰(zhàn)在于如何顯著提高金屬氧化物半導(dǎo)體材料內(nèi)稟的低自由載流子濃度。基于該研究團(tuán)隊(duì)新近發(fā)展的、理論模擬計(jì)算指導(dǎo)下的電子-質(zhì)子協(xié)同摻氫策略，在本工作中研究人員采用簡(jiǎn)便易行的金屬-酸溶液原位聯(lián)合處理方法實(shí)現(xiàn)了金屬氧化物MoO3半導(dǎo)體材料在溫和條件下的可控加氫（即實(shí)現(xiàn)了“本征半導(dǎo)體→準(zhǔn)金屬”的可控相變），從而突破性地大幅提升了該材料中的自由載流子濃度。研究表明，氫化后的MoO3材料中自由電子濃度與貴金屬相當(dāng)（譬如H1.68MoO3：~1021cm-3；Au/Ag：~1022cm-3），這使得該材料的等離激元共振響應(yīng)從近紅外區(qū)移至可見光區(qū)，且兼具強(qiáng)增益及可調(diào)性。結(jié)合第一性原理模擬計(jì)算和以超快光譜為主的多種物性表征，研究人員進(jìn)一步揭示出該協(xié)同摻氫所導(dǎo)致的準(zhǔn)金屬能帶結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的等離激元?jiǎng)恿W(xué)性質(zhì)。作為效果驗(yàn)證，研究人員在一系列表面增強(qiáng)拉曼光譜（SERS）實(shí)驗(yàn)中證實(shí)該材料表面等離激元局域強(qiáng)場(chǎng)可使吸附的羅丹明6G染料分子的SERS增強(qiáng)因子高達(dá)1.1×107（相較于一般半導(dǎo)體的104?5和貴金屬的107?8），檢測(cè)靈敏限低至納摩量級(jí)（1×10-9mol L-1）。 這項(xiàng)工作創(chuàng)新性地發(fā)展出一種調(diào)控非金屬半導(dǎo)體材料系統(tǒng)中自由載流子濃度的一般性策略，不僅低成本地實(shí)現(xiàn)了具有強(qiáng)且可調(diào)的等離激元效應(yīng)的準(zhǔn)金屬相材料，而且顯著地拓寬了半導(dǎo)體材料物化性質(zhì)的可變范圍，為新型金屬氧化物功能材料的設(shè)計(jì)提供了嶄新的思路和指導(dǎo)。

項(xiàng)目成果/簡(jiǎn)介:在傳統(tǒng)貴金屬（金、銀等）之外發(fā)掘出具有高性能等離激元效應(yīng)的非金屬新材料，是當(dāng)前等離激元學(xué)基礎(chǔ)研究及應(yīng)用研發(fā)的一個(gè)熱點(diǎn)與難點(diǎn)。金屬氧化物半導(dǎo)體材料具有豐富可調(diào)的光、電、熱、磁等性質(zhì)，對(duì)其采取氫化處理可有效修飾其電子結(jié)構(gòu)，從而獲得豐富可調(diào)的等離激元效應(yīng)；此處的一個(gè)關(guān)鍵性挑戰(zhàn)在于如何顯著提高金屬氧化物半導(dǎo)體材料內(nèi)稟的低自由載流子濃度。基于該研究團(tuán)隊(duì)新近發(fā)展的、理論模擬計(jì)算指導(dǎo)下的電子-質(zhì)子協(xié)同摻氫策略，在本工作中研究人員采用簡(jiǎn)便易行的金屬-酸溶液原位聯(lián)合處理方法實(shí)現(xiàn)了金屬氧化物MoO3半導(dǎo)體材料在溫和條件下的可控加氫（即實(shí)現(xiàn)了“本征半導(dǎo)體→準(zhǔn)金屬”的可控相變），從而突破性地大幅提升了該材料中的自由載流子濃度。研究表明，氫化后的MoO3材料中自由電子濃度與貴金屬相當(dāng)（譬如H1.68MoO3：~1021cm-3；Au/Ag：~1022cm-3），這使得該材料的等離激元共振響應(yīng)從近紅外區(qū)移至可見光區(qū)，且兼具強(qiáng)增益及可調(diào)性。結(jié)合第一性原理模擬計(jì)算和以超快光譜為主的多種物性表征，研究人員進(jìn)一步揭示出該協(xié)同摻氫所導(dǎo)致的準(zhǔn)金屬能帶結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的等離激元?jiǎng)恿W(xué)性質(zhì)。作為效果驗(yàn)證，研究人員在一系列表面增強(qiáng)拉曼光譜（SERS）實(shí)驗(yàn)中證實(shí)該材料表面等離激元局域強(qiáng)場(chǎng)可使吸附的羅丹明6G染料分子的SERS增強(qiáng)因子高達(dá)1.1×107（相較于一般半導(dǎo)體的104?5和貴金屬的107?8），檢測(cè)靈敏限低至納摩量級(jí)（1×10-9mol L-1）。 這項(xiàng)工作創(chuàng)新性地發(fā)展出一種調(diào)控非金屬半導(dǎo)體材料系統(tǒng)中自由載流子濃度的一般性策略，不僅低成本地實(shí)現(xiàn)了具有強(qiáng)且可調(diào)的等離激元效應(yīng)的準(zhǔn)金屬相材料，而且顯著地拓寬了半導(dǎo)體材料物化性質(zhì)的可變范圍，為新型金屬氧化物功能材料的設(shè)計(jì)提供了嶄新的思路和指導(dǎo)。