基于等离激元辅助隧穿效应的超快光电转换及技术研究
批准号:
62075195
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
王攀
依托单位:
学科分类:
微纳光子学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
王攀
中文摘要
等离激元隧道结是指能同时支持表面等离激元和电子隧穿的金属-介质-金属纳米结构。基于等离激元辅助电子隧穿效应,利用纳米尺度隧道结可以实现超快光电转换,在超快光电探测等领域具有潜在应用价值。但是,由于隧道结中高度局域的等离激元模式与自由空间聚焦信号光之间存在显著的尺寸及模式失配,使得其光电转换效率低且难以与片上光波导集成,如何提高转换效率和集成度是目前需要解决的关键科学问题和技术难题。本项目提出了基于等离激元辅助隧穿效应的超快光电转换及技术研究设想。通过构建基于一维等离激元波导的新型传导型等离激元隧道结,探索利用强约束的导波模式取代自由空间聚焦形式实现信号光与隧道结的高效耦合,从而突破现有转换效率瓶颈。同时研究隧道结介质的功能化(如引入导电分子、整流分子等),进一步调控隧道结光电转换性能。研究结果对于传导型隧道结中光子、等离激元、隧穿电子相互作用及超快光电探测的研究和应用均具有重要意义。
英文摘要
A plasmonic tunnel junction is a metal-insulator-metal nanostructure that can simultaneously support surface plasmons and electron tunneling. Based on plasmon-assisted tunneling effect, plasmonic tunnel junctions can be used for the ultrafast conversion of photons into electrons, which is promising for applications such as ultrafast photodetection. However, the dramatic size and mode mismatch between highly localized plasmonic modes in a tunnel junction and the diffraction-limited focused light beam results in a low conversion efficiency and a difficulty in chip-scale integration of tunnel junctions with optical waveguides. These are the main issues and challenges faced in the area. In this project, we propose to investigate the ultrafast photoelectric conversion based on plasmon-assisted electron tunneling effect in plasmonic tunnel junctions. By constructing a propagating tunneling junctions based on one-dimentional plasmonic waveguides, we will investigate the use of highly confined propagating modes for the efficient excitation of a plasmonic tunnel junction instead of the use of focused light beam in free space, aiming to break the bottleneck of the conversion efficiency. At the same time, we will investigate the functionalization of tunnel junctions with functional materials including conductive molecules and molecules with a rectification function to further improve the photoelectric conversion performance. The outcome of this project is of great importance to the studies of the interaction of photon, plasmon, and tunneling electron in tunnel junctions and the application in ultrafast photodetections.
本项目针对高品质表面等离激元隧道结构建及其光电探测应用等开展研究,在二维单晶等离激元材料、单晶等离激元隧道结电学调控及光电探测等方面取得了丰硕的研究成果,包括:(1)提出基于银纳米线-介质-石墨烯的波导集成隧道结新结构,建立了一维金属导波结构中传导型SPP和隧道结相互作用的理论模型,利用电子隧穿效应实现了等离激元信号的激发、高效(大于70%)导波耦合输出及直接电调制【Nano Lett. 23, 3731 (2023)】;(2)针对上述结构在光电探测时存在的稳定性问题,提出利用高稳定性单晶金纳米结构构建隧道结结构,首创原子级精度化学刻蚀技术,实现了厚度低至单纳米的大尺寸(100μm)单晶金片的按需精准制备,并通过相工程调控获得高达6GPa的力学强度【Nat. Commun. 16, 926 (2025)】;以此为基础并结合单晶金纳米颗粒,成功构建单晶等离激元纳腔,获得了损耗接近理论极限的光学响应【Nano Lett. 22, 1786 (2022);Adv. Optical Mater. 11, 2201914 (2023)】;(3)基于单晶等离激元纳腔结构,成功构建电驱动等离激元纳腔结构,具有优异的光电稳定性;进一步地,利用纳腔间隙内部超强局域光场、超强局域电场(或隧穿电子)和功能材料之间的强相互作用,成功实现了基于量子隧穿效应的高效光电探测、等离激元-激子强耦合电学调控、激子电致发光及调控等【arXiv:2409.14742】;(4)此外,通过光场调控,实现了室温下基于单个金纳米棒的纳米激光器【Sci. Adv. 8, eabn2026 (2022)】,以及基于导波激发金纳米棒光热效应的光波导型致动器【Nature Commun. 13, 363 (2022)】。在本项目资助下,在Nature Communications(3)、Science Advances(1)等国际知名学术期刊发表学术论文13篇,申请专利4项,项目负责人积极参加国内外重要学术会议并作邀请报告21次,培养博士后1名、博士生3名。总的来说,通过本项目的研究项目负责人很好地完成了预期制定的研究计划,达到了预期研究目标,相关研究成果对于表面等离激元隧道结、电学调控光与物质相互作用、光电探测等的研究和应用均具有重要意义。
亚纳米厚度单晶金片二维等离激元特性及调控研究
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批准号:R25F050012
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项目类别:省市级项目
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资助金额:0.0万元
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批准年份:2025
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负责人:王攀
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依托单位:
后摩尔硅基光神经网络通用架构研究
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批准号:LDT23F04015F05
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项目类别:省市级项目
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资助金额:0.0万元
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批准年份:2023
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负责人:王攀
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依托单位:
基于电子隧穿效应的传导型等离激元激发研究
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批准号:12004333
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项目类别:青年科学基金项目(C类)
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资助金额:24.0万元
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批准年份:2020
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负责人:王攀
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依托单位:
基于电子隧穿效应的传导型等离激元激发研究
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批准号:--
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项目类别:--
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资助金额:24万元
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批准年份:2020
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负责人:王攀
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依托单位:
国内基金
海外基金