铁电晶体模板诱导自组装金属-介电光学超材料的研究

超材料（Metamaterial）由亚波长结构单元周期性或非周期性地排列具有超常规电磁响应的新型人工电磁材料，是当今物理学、微波与电磁场、材料科学等研究领域最为热点的研究课题之一。本项目提出利用"自上而下"方法在铁电晶体表面组装所设计微纳米畴图案，并以此作为模板"自下而上"地有选择性定位生长金属-介电结构，实现光波段的超材料。用计算电磁场方法研究设计光学超材料的亚波长结构单元和超材料的光学性质；研究铁电晶体极性表面通过还原反应自组织生长金属纳米粒子的机制，利用纳米畴结构、金属盐溶液的浓度和温度、照射UV光的波长和照射时间对金属纳米粒子的形状、大小和纳米结构实施控制；研究组装的金属-介电纳米复合结构的宽带透射和反射光谱等电磁响应，反演计算它们的等效电磁参数，并探索它们在光学器件、完美透镜和超分辨成像等方面的可能应用。

光学超材料是亚波长金属/介电结构单元周期性排列，具有超常规光学响应和控制光传输的特性，在光学隐身、异常光学透射和超分辨成像方面具有重要的应用价值。.通过外场在铁电晶体表面组装周期性微纳米畴结构，以此作为模板有选择性定位生长金属纳米结构。用周期性极化铌酸锂晶体作为模板，通过优化紫外光波长与强度、照射时间、金属银离子浓度，有选择性在正畴上实现金属银纳米粒子可控的自组织生长。紫外可见光谱表明生长的纳米结构吸收峰的位置并不与粒径有相关性，Raman光谱显示随粒径的增加，其Raman光谱有效增强，显示了表面增强拉曼散射效应，其增强因子超过106。以六角阵列和周期性极化铌酸锂晶体为模板，用白光照射可还原生长金纳米粒子，结果表明靠近畴边界形成的金纳米颗粒大，远离畴边界形成的金纳米颗粒小，其生长的特性明显与银不同，其机制需要进一步研究。.掺入过渡金属的铌酸锂晶体由于具有施主中心，可见光照射形成光生载流子沿光轴移动到畴表面还原金属纳米粒子。生长了铁掺杂浓度不同的近化学配比铌酸锂晶体，利用泵浦-探测法测量晶体光致吸收，研究产生光生载流子的动态过程和稳态特性，以及与掺杂浓度和泵浦光强的关系，双中心模型模拟结果与实验符合得很好。生长了铁锰双掺杂近化学计量比LiNbO3晶体，并在氧气和氮气的气氛中进行处理，测量紫外可见光谱研究光色效应稳态特性，用泵浦/探测法测量动态特性，饱和吸收变化和光色效应速度随泵浦光强和掺铁浓度增加而增加。.用有限差分时域的方法研究了具有伞状塞结构的亚波长金属/介电结构的光学异常透射效应，周期性孔阵列被伞状金属遮挡（几何投影透光面积为零），然而其峰值透射率高达88%，其机制是由于伞状塞的天线效应。一维周期锥形金属/介电狭缝结构，其异常透射效应是由于狭缝内表面等离激元共振引起的，其解析结果与用FDTD方法模拟结果相符。研究了基于散射取消理论的电磁隐身，从米散射理论获得电磁隐身条件的解析表达式，提出了设计隐身频率可调单层隐身斗篷，包括均匀各向同性的半导体、超导体，铁氧体和铁电体材料，代替非均匀各向异性电磁超材料，进一步提出用半导体材料和高温超导体构成双层隐身斗篷，它能实现用温度调谐宽带红外的光学隐身，有限元的方法数值模拟验证了其结论。研究了光学超格子具有空间调制非线性的高斯势、二维光学贝塞尔势、空间调制非线性的PT势中空间光学孤子的传输特性。