电子显微镜在等离激元光学中应用的理论研究

与传统的光学显微手段最小只能给出约50纳米的空间分辨率相比，电子显微镜则能成功实现亚埃量级的空间分辨。在此项目中，我们拟通过电子显微镜在等离激元光学中的应用研究，分析电子与特定金属纳米结构的相互作用，解决一直困扰等离激元光学乃至纳米光学的三个主要问题：表面等离激元高效的定点激发、小于10纳米金属材料的非局域效应的研究以及电子与表面等离激元、光子之间直接的信息转换。不仅能为实现纳米尺度的光电互联提供良好的应用基础，而且将为介观物理的基础理论提供有益的贡献。

电子显微镜能在表面等离激元光学的研究中能发挥相当大的作用，这得益于电子相对于光子更短的波长，从而能实现更高的探测分辨率。在本项目的研究中，我们分别研究了快电子在传统金属结构中激发传播表面等离激元与局域表面等离激元。我们的研究发现电子能在耦合纳米线、耦合纳米粒子链中激发高阶等离激元模式，这些模式具有更长的传播距离，快电子能在耦合纳米圆环中激发反对称耦合表面等离激元。同时我们利用电子显微镜阴极荧光光谱技术，研究了快电子在金纳米光栅结构中激发表面等离激元，从而分析了金材料在等离激元激发情况下的光学响应更加类似于自由电子气；与此同时，我们研究了新型二维材料中的表面等离激元，我们提出了掺杂石墨烯等离激元圆环能作为太赫兹至红外纳米光天线，其具有比金属更好的局域光场的能力；同时衬底非线性可以用来调控石墨烯表面等离激元传播，对于基于石墨烯的等离激元的器件具有较大影响，从而为利用快电子探测石墨烯表面等离激元提供基础。