基于纳米结构的光频天线阵的设计、制备和表征

长期以来，天线在无线电和微波领域扮演着很重要的角色。最近，天线的概念被引入到光学频段，光频天线在光电转换、发光器件以及光传感器的探测等方面具有潜在的巨大应用前景。本项目拟从实验和理论两方面研究基于金属纳米小孔和金属纳米光栅的光频天线阵列中传播光场与局域光场的激发和相互转换规律，揭示光频天线阵列发生光辐射以及电磁场能量转换的微观机制，给出提高光频天线阵的性能（如增大辐射强度、提高电磁场能量转移的效率、增强方向性）的途径。在此基础上，通过改变纳米结构的周期性和准周期性来调控系统中传播的等离激元，通过改变单个纳米结构单元的具体构型来调控系统中局域的等离激元，进而改变系统中传播光场和局域光场的振幅与位相，设计、制备和表征出高性能的光频天线阵，并探讨其在高性能的太阳能电池、发光纳米器件以及光传感纳米器件等方面的应用，开发和研制具有自主知识产权的新型光电材料和器件。

本项目从实验和理论两方面系统研究了基于金属微纳结构的天线和天线阵列的设计、制备和性能表征及其应用，创新性地设计和制备出一些光频波段和红外波段新型亚波长天线和天线阵列，揭示了亚波长天线阵列系统中光辐射和光接收、电磁场能量转换等方面的微观机制和物理规律，给出了提高光频天线和天线阵性能的有效途径，探讨了亚波长天线阵列在新型光电材料和器件中的应用，取得了一些有意义的研究结果。例如，首次发现和实验证实基于金属光栅结构的亚波长天线阵列高效率地激发表面等离激元并且再辐射光波，从而导致微结构金属对宽频段的电磁波透明。又如，设计和制备出二维金属微结构天线阵列，首次实验证实该天线系统可以实现光信号的位相时间延迟, 从而有效地调控光的偏振态。再如，首次设计和制备出基于三维立体金属微结构的亚波长天线阵列，实验证实其具有接近完美的吸波效应。此外，还首次设计并研究了具有分形特征的等离激元光频天线阵，并将其引入薄膜硅太阳能电池，证实该种新型超薄硅太阳能电池具有宽带吸收和效率增强的效应，等等。这些工作在高性能的太阳能电池、发光微纳器件以及光传感微纳器件等方面具有潜在的重要应用。. 本项目研究工作在Advanced Materials、Physical Review Letters、Applied Physics Letters 和Physical Review B 等国际著名学术期刊上发表SCI论文29篇，申请国家发明专利2项。 项目执行顺利,很好地完成了原先的研究计划,并且根据国际发展的新热点,适时地丰富了本项目的研究内容。