表面等离激元微结构材料的设计、制备及其甚长波红外光电转换增强效应研究

Based the current significant strategic demand of infrared photo-detection of our country, this project focuses on the great improvement of detection efficiency of very-long-wavelength (VLW) infrared photodetector, especially for the wavelength regime of 14-16μm, using the artificial plasmonic microstructures. The main research contents include: 1) Study the properties of the surface plasmon excitation in metal micro- and nano-structures and explore the relationship between the induced local electric field enhancement effect and the microstructures; Dig deeper into the mechanism of the infrared light-active media interactions due to the enhanced localized electric field and their corresponding control and tunability. 2) Explore the physical mechanism to improve the photoelectric conversion and detection efficiency for the photoactive media, especially for quantum-well infrared photodetectors, due to the field enhancement effect of plasmonic microstructures. 3) Study the excitation, coupling and tuning of the surface plasmons of the two-dimensional materials, such as graphene, and explore the high-efficiency VLW infrared photodetector based on the combination of the plasmonic microstructure and these two-dimensional materials.4) Develop the precise fabrication and control techniques of the plasmonic microstructures, and propose the new principles and new methods for the broadband and wide incident-angle perfect absorption of the infrared detection media, and eventually fabricate the high-quality infrared photodetectors based on plasmonic microstructures with high signal/dark-current ratio.

根据当前国家在红外探测领域的重大战略需求，本项目围绕利用等离激元微结构，实现甚长波红外（特别是14-16μm波段）光电探测器探测效率的提高这一重大科学技术问题展开研究，其主要内容包括：研究表面等离激元结构的局域光场增强效应，及增强光与物质相互作用机理以及相关调控方案；探索利用等离激元微结构提高红外光敏材料，特别是半导体量子阱红外探测材料光电转化与探测效率的物理机制；研究石墨烯等二维材料表面等离激元的激发、耦合与调控技术，并探索开发等离激元微结构与二维材料相结合的新型高效甚长波红外光电探测器件的新方案；发展等离激元微结构的精确制备和控制技术，并提出利用等离激元微结构实现红外探测材料宽带全角度增强光吸收的新原理、新方法，以及利用等离激元微结构提高光电响应与暗电流比的方案，从而制备高品质的等离激元微结构红外光电材料及相关器件。

本项目围绕国家在红外探测的重大战略需求，聚焦提出的关键科学问题，依照项目制定的研究计划和技术路线，深入、系统地研究了人工微结构材料的结构设计、能带剪裁、红外响应、红外光电耦合与转化以及在红外探测中的应用，主要研究内容及所取得的重要学术成果，总体上包括以下几个方面：1）围绕解决半导体量子阱红外探测器（QWIPs）对甚长波（14~16 μm）红外辐射高效吸收和高效光电转换的科学问题，研究了金属及二维材料微纳结构材料局域和非局域（类）表面等离激元的激发和耦合规律，及其调控方式；提出了几种增强QWIPs光电转换效率的（类）等离激元耦合器的设计和参数优化方案；2）基于自组织以及纳米压印技术，发展了多种金属微纳结构的精确制备和控制技术，利用等离激元微结构的激发调控，提出红外探测材料实现宽带全角度全光吸收的新方案；3）提出了在长波段有效激发类似于光频段等离激元涡旋的新方法，打破了等离激元旋涡的频率限制，对于工作在远红外、太赫兹、乃至微波段的功能性集成器件的研究具有重要意义；深入理解二维材料的元激发的激发、传播和耦合机制，及其光电响应物理过程，研究高灵敏、低噪声、高角度、宽带宽的新型红外探测材料； 4）结合当前国际上在凝聚态物理领域关于拓扑绝缘体与拓扑相的研究热点，发展了人工光子带隙微结构设计理论，深入探究了人工微结构的对称性、结构参数和材料选择等自由度对电磁波传播和局域特性调控的新效应，在国际上率先实验上实现了二维高阶拓扑光子晶体，为实现光场局域提供了新原理和新方法。