等离激元-胶体晶体复合结构的超宽带光全吸收现象、机理及应用研究

Broadband light perfect absorption (BPA) effects have very broad application prospects in the fields of optoelectronics, energy and other areas. How to realize the materials with BPA effects and that these structures can be easily fabricated has long been pursued by the domestic and overseas researchers. In this project, we will design and fabricate large-area hybrid plasmonic-colloidal crystal structures, and clearly give the physical mechanisms of the BPA effects by the study on the interaction behavior between the metal plasmon modes and the dielectric optical modes and do further study on the potential applications in the fields of energy and optoelectronic detection. The main contents are: 1) to design and to fabricate BPA systems and to understand the influence rules of the BPA effects by the colloidal crystal structure, plasmonic crystal and their combining means; 2) to analyze the correlation effects on the BPA effects by the defect effects, short-range order effects and disorder effects of the cyrstal structure and to improve and to amend the relevant structure systems; 3) to study the interaction behavior between the plasmon resonances and the colloidal crystal microcavity and the energy flow propagating modes, then to give the mechanism of the BPA responses and further to master the method to realize ultra-broadband including the full visible frequency spectrum light perfect absorption as well as the mechanisms, and to finally achieve the consistency of "from matter to physics". The research significance of this project is to lay the foundation for the investigations and applications of the optoelectronic devices based on the structures with BPA effects via the design and development of new BPA structures.

宽带光全吸收(BPA)在光电、能源等领域具有巨大的应用前景。如何实现具有BPA效应且易于制备的材料体系一直是国内外关注的热点。本项目拟设计和制备出大面积的等离激元-胶体晶体复合结构，通过研究金属等离激元与介质光学模式的相互作用，清晰给出BPA效应的物理图像，进而探讨其在能源与光电探测领域的潜在应用。主要内容包括：1)设计和制备出BPA结构体系，掌握该体系中胶体晶体结构、等离激元晶体结构及两者的联结方式等对BPA效应的影响规律；2)分析晶体结构的缺陷效应、短程有序和无序效应等与体系BPA特性的关联效应，修正和完善相关结构体系；3)研究等离激元共振与胶体晶体微腔间相互作用的模式及能流传输的方式，给出BPA响应的机理；进一步掌握实现超宽带包括可见全频光全吸收的方法及其物理机制，实现"由物及理"的一致性。本研究的意义是通过设计和发展全新BPA结构，为基于BPA效应的光电器件等的研究和应用奠定基础。

本项目基于等离激元-胶体晶体复合结构，为解决现有完美光吸收器体系所普遍存在的吸收带宽窄、结构制备复杂、难于大面积低成本制备等一系列问题提供了一个新的可行途径。项目研究内容主要涉及以下几个方面：1，基于胶体晶体模板的宽波段完美光吸收器结构的设计和制备及其性能表征；2，非密排杂化等离激元-光学微腔结构体系的超宽波段完美吸收器结构的理论模型及其实验测试研究；3，金属等离激元-半导体复合体系的完美光吸收响应，包括窄带和宽波段吸收特性方面的研究；4，金属耐火材料及其与半导体共振结构在太阳能完美吸收方面的研究。项目的重要成果包括：1）从实验上制备了大面积高质量的等离激元-胶体晶体结构，获得了在近红外波段的宽带吸收器；2）通过设计非密排共振体系，实现了在近红外-中红外区域的超宽带完美吸收器，吸收带宽达到了2.8微米；3）理论设计了一系列基于金属与半导体材料硅、锗以及三五族半导体材料的完美光吸收器；4）基于金属耐火材料本身的宽波段光学吸收特性及其等离激元共振响应属性，构建了基于钛、镍、钨等金属体系的超宽波段太阳能完美吸收器，实现了吸收效率超过96%的结构模型。这些研究成果以专利和论文形式展现出来，包括申请发明专利10余项，有4项授权，发表SCI主流期刊论文20余篇，其中SCI一区前封面论文1篇，获英国物理学会亮点报道的论文2篇，ESI高引论文3篇，两个相关成果获得江西省物理学会优秀成果奖一等奖和二等奖。项目研究的科学意义主要涉及：其一，跳出现有研究体系的局限，巧妙构建了基于二维胶体晶体结构的宽波段完美光吸收器的结构模型，解决了现有吸收器结构复杂、无法大面积制备的不足；其二，进一步探索了在吸收器中引入半导体共振单元的结构模型及其性能特性，为后续进行光电功能材料与器件的探索积累了经验；其三，进一步突破现有研究中往往局限于贵金属材料体系，巧妙运用具有宽波段共振属性的金属耐火材料来搭建新型超宽波段的太阳光吸收器，为实现完美光吸收到太阳能光能、热能的利用奠定基础，也为光热技术包括蒸汽技术的探索做了很好的铺垫。