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    南京大学毛鹏、韩民研究团队:团簇组装无序等离激元超表面中光热效应调控及精确测量

    发布时间:2023-06-20 点击次数: 来源:科学技术处

    近日,南京大学毛鹏副教授、韩民教授研究组提出了一种团簇组装的无序等离激元超表面,该超表面可实现从宽带吸收到有限带宽吸收的连续调节,进而实现高效的宽带及光谱选择性等离激元光-热转换。同时,采用SERS技术,以单壁碳纳米管作为SERS探针,成功实现了超表面中的局域光热温度的精确测量。

    图1. 团簇组装等离激元无序超表面示意图。

    等离激元非辐射弛豫时,电子-电子碰撞导致等离激元的去相干,等离激元通过激发带内及带间电子跃迁将其能量转换到能量化的电子上, 该过程即所谓朗道阻尼(Landau Damping)。由于电子的能量分布为非热平衡分布(与晶格之间未达到热平衡),因此这种能量化的电子被称为"热电子"。最终,热电子能量将以热能的形式向周围环境介质中耗散,该过程即为等离激元光热效应。基于该效应设计的表面等离激元微纳结构作为纳米尺度的可控热源, 不仅在亚波长光热利用方面引发了广泛的研究兴趣, 同时还催生了一系列纳米尺度下热能和其他形式能量转换的研究,在诸如光电探测、催化能源转换等领域产生了重要应用。

    近来,通过构建等离激元超表面(metasurface)的方式来实现有效的等离激元光吸收及光热转换成为该领域一大热点。因超表面具有可对电磁波进行自由调控的巨大优势,从而克服本征等离激元材料光吸收及光热转换的局限性。然而,针对不同应用场景,实现超表面中光吸收-光热转换波长范围的连续大范围调控目前仍面临一定挑战。

    本工作开发了一种团簇组装无序点阵与Fabry–Pérot腔耦合的无序超表面系统(图2)。理论和实验上均表明:通过简单调控超表面中无损耗介质层的厚度,即可实现超表面呈宽带吸收抑或有限带宽吸收的连续调节(图2-3),其吸收物理机制可基于耦合模式理论(CMT)加以解释(理论工作见团队研究成果Nature Communications, 2020, 11 (1), 1538.)。

    图2. (a)团簇组装等离激元无序超表面;FDTD和FEM模拟的结构内部(b)电场分布:(c)温度场分布;无序超表面光吸收(d)及反射(e)随光学腔厚度(spacer)的变化。

    图3. 团簇组装无序超表面的SEM截面图((a))及表面形貌(b);当超表面中光学腔参数(spacer 厚度)连续变化时,超表面实际样品照片;对应的吸收(d)及反射(e)光谱。

    为了展示超表面的宽带吸收与光谱选择性吸收能力及与之对应的光热效应,研究人员分别制备了具有宽带吸收及多种选择性吸收的超表面,并在不同波长光辐照条件下,采集热成像信号,对比信号如图4所示。结果表明,只需调控超表面的单一结构参数,便可实现超表面光吸收及光热转换工作波长范围的连续任意调节。

    图4. 分别对四种样品采用不同波长光辐照时所产生的热效应。

    事实上,宏观上平整金属表面的发射率较低,采用热成像的方式探测其表面温度存在巨大误差。因此,研究团队提出了基于SERS技术的超表面局域温度的精确测量方案。具体地,将单壁碳纳米管作为SERS探针嵌入超表面中,一方面,单壁碳纳米管的G+模式具有极高的温敏特性;另一方面,所设计超表面中的等离激元局域场能大幅提升G+模式的Raman信号,进而提升探测灵敏度。作为展示,研究人员系统测量了具有宽带吸收特性超表面中的局域光热温度,如图5所示。

    图5. 基于SERS技术的局域光热温度精确测量。参照样品为Ag膜与单壁碳纳米管的复合结构。

    该工作展示了一种具有极大波长选择自由度的光吸收及光热转换超表面,超表面由团簇无序点阵与Fabry–Pérot腔构成,区别于传统微纳加工工艺,该超表面具有易于集成、可大面积制备且制备复杂度低的特点。

    该研究成果以"Broadband and Spectrally Selective Photothermal Conversion through Nanocluster Assembly of Disordered Plasmonic Metasurfaces"发表于Nano Letters上。

    论文通讯作者为南京大学现代工学院毛鹏副教授、韩民教授,第一作者为现代工学院博士研究生陈佶安,该工作得到了香港大学张霜(讲席)教授、英国斯旺西大学Richard Palmer教授、以及南京大学物理学院王广厚院士与宋凤麒教授的指导和支持。该研究得到了国家重大科研仪器研制项目、国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金委面上项目、国家自然科学基金委青年基金、以及流体动力与机电系统国家重点实验室开放基金等项目的支持。

    文章链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c01328