光在金属/介质界面传播特性及其在信息和能源器件领域的应用研究

依据包含色散并符合KK因果律等物理限制的严格光电理论，在可见光区，制备一系列入射角精确可控和不同结构参数的金属/介质微纳结构，细致研究光在人工金属/介质结构中的传播特性。具体在不同入射角、远场和近场等条件下，精确测量金属界面和各种金属纳微结构的折射率随波长、入射角和结构等参数发生变化的规律，例如由负到正的变化，以及dk/dE、dn/dE、相和群折射率的色散关系，研究表面等离子波在金属表面的产生、传播、局域共振和吸收增强等机理。同时，通过"动态过程"进行建模、仿真，研发新型的计算方法和软件，从而能够进行包含色散的可靠的"数值实验"和理论分析研究。在可靠实验数据测量和物理分析的基础上，深刻揭示光在金属界面和纳微结构中的传播物理本质和规律。优化设计不同类型的纳微结构来调节光的速度、反射、折射和吸收等，进行光的信息处理和能量转化，为新型金属基器件在信息光电子和能源等领域的应用建立基础。

.1. 项目的重要性、难点和发展趋势.微纳金属基结构具有很强的光吸收和非均匀色散特性，即使最简单界面，对于发生在金属基界面各种奇异光传播特性和现象的精密实验测量和定量解释仍是国际学术界长期未解决的难题，也是对理论建模和计算方法的挑战，属于国际的前沿研究领域。因此，本项目研究将能够增进人们对自然界中光物理本质现象和规律的认识，深刻理解光在人工金属基介质及其微纳结构中的传播特性，从而为信息光电子和新能源等领域的新型光电功能材料和器件，如高效率太阳能光热和光电转换器件的研制和应用建立坚实的基础，具有重要的学术研究意义和应用价值。..2. 主要成果.(1). 针对强吸收人工金属基微纳结构，突破了传统“定态建模”的瓶颈困难，采用把K-K因果律和强吸收色散等物理限制因素考虑在内的“动态仿真”原理，建立了含有相位或时间延迟等信息的新方法，将有可能在非极端实验条件下，观察到“真空极化”现象。.(2). 基于“远程变换光学”原理，提出对微纳光子器件中光子行为进行远程调控的新概念，通过解析和数值建模等方法，计算了光在多种复杂微纳介质结构中传播的群速度，进一步解释了特异介质中的负折射、停光、慢光和能量积累等奇异光学现象。.(3). 采用射频溅射法制备了一系列具有不同楔形角的贵金属铜样品，采用四种不同可见波长的激光对贵金属铜/介质界面的传播特性进行了实验测量和研究，获得正/负折射效应与带内和带间跃迁色散特性有关的规律。.(4). 采用高效率分光谱原理和方法，将太阳能主光谱区分成5个子光谱区，与各子光谱区的5个高效率单PN结电池相匹配，获得35.6％光电转换效率，显示了新型高效率太阳能电池系统研究的新途经，属于国际第三代太阳能电池研究的重要原创贡献。.(5).采用射频溅射法制备了多种Cr基过渡金属/介质多层膜结构，对其高效率光热吸收纳米结构及其热稳定性进行了系统研究，在太阳能主光谱区，实现了金属/介质膜结构光热转换效率>95%优异特性，属于国际光热转换器件研究的重要原创贡献。..上述研究成果为微纳金属基光电子材料和器件的研究及其在信息和能源领域的应用建立了基础，在此期间发表重要学术论文63篇和3本专著，其中SCI收录57篇（含IF>3论文23篇），申请14项发明专利（含授权2项），培养了4位硕士和10位博士研究生，组织国际会议2次，并应邀在国际会议上做特邀报告。