物理與光電工程學(xué)院本科生在《Physics Letters A》發(fā)表中紅外極化激元前沿研究成果

發(fā)表時間：2025-05-26

         近日，我校物理與光電工程學(xué)院黃加耀博士指導(dǎo)的2022級光源與照明專業(yè)本科學(xué)生黃培源同學(xué)，以第一作者身份、佛山大學(xué)為第一單位，在國際物理領(lǐng)域權(quán)威期刊《Physics Letters A》（JCR Q2）發(fā)表題為 “Tunable Hybrid Polaritons in the LiV₂O₅–Graphene Heterostructures” 的研究性論文。該研究首次構(gòu)建了基于LiV₂O₅與石墨烯納米光柵的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了表面等離激元（SPP）、橫向（TO）與縱向（LO）聲子模式之間的強耦合相互作用，并觀察到雙Rabi劈裂特征現(xiàn)象的存在。拉比劈裂是指在量子輻射體（如單個原子、分子或量子點）與光場（如單光子）之間存在強相互作用時，量子輻射體的能級發(fā)生分裂的現(xiàn)象。從外在表征上看，它會在光致發(fā)光譜、熒光光譜、散射譜和吸收譜中呈現(xiàn)出光譜劈裂。通過引入三振子模型，嚴格耦合波分析法（RCWA）與時域有限差分法（FDTD）等數(shù)值模擬方法，團隊成員系統(tǒng)研究了等離激元-聲子模式之間的能量交換、耦合強度及模態(tài)演化機制。研究表明，該結(jié)構(gòu)在8–12 μm中紅外窗口內(nèi)表現(xiàn)出優(yōu)異的調(diào)控性能。通過調(diào)節(jié)石墨烯的光柵寬度和化學(xué)勢，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)共振波長的精準調(diào)諧，還能顯著增強光吸收峰值，這有望在太陽能熱電轉(zhuǎn)換、自適應(yīng)紅外熱管理、紅外成像與分子傳感等光熱器件中發(fā)揮重要作用。本項研究成果體現(xiàn)了我校在新型光子器件領(lǐng)域的前瞻布局和本科生科研創(chuàng)新能力培養(yǎng)的不斷提升，同時也為可調(diào)諧中紅外光譜調(diào)控器件的設(shè)計與應(yīng)用提供了理論支持和技術(shù)路徑。

科研內(nèi)容簡介

隨著中紅外與太赫茲光子器件的發(fā)展，如何在納尺度精確調(diào)控極化激元成為當(dāng)前光學(xué)與材料領(lǐng)域的重要挑戰(zhàn)。LiV₂O₅作為一種天然層狀各向異性晶體，兼具高介電常數(shù)與強聲子響應(yīng)，近年被證實支持低損耗、高方向性的聲子極化激元傳播，具備優(yōu)異的強耦合基礎(chǔ)。在本研究中，作者首次在LiV₂O₅–石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)中構(gòu)建了SPP-TO-LO三種模式強耦合體系。圖1展示了石墨烯/LiV₂O₅異質(zhì)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)自上而下依次由石墨烯納米光柵陣列、BaF?間隔層、LiV?O?功能層、BaF?襯底層、Ag反射層及SiO?基底構(gòu)成。通過調(diào)控石墨烯光柵寬度或者外加?xùn)艍簩崿F(xiàn)SPP-TO-LO強耦合過程的動態(tài)調(diào)控。結(jié)構(gòu)設(shè)計兼具電調(diào)諧性與紅外增強響應(yīng)能力，為發(fā)展可調(diào)諧紅外發(fā)射器、熱調(diào)控器件及多模光子耦合平臺提供了新思路。 

圖1：石墨烯/LiV₂O₅異質(zhì)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2：石墨烯/LiV₂O₅異質(zhì)結(jié)構(gòu)中等離激元–聲子模式的強耦合過程與調(diào)控特性。

該研究得到國家自然科學(xué)基金項目、廣東省教育廳創(chuàng)新團隊項目與廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金項目以及廣東省粵港澳聯(lián)合實驗室的支持。特別感謝香港科技大學(xué)陳欽杪博士后，華南師范大學(xué)鄧富博士和加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校羅陽博士對本工作提供的幫助。

通訊作者介紹：

         黃加耀，博士，碩士生導(dǎo)師。博士畢業(yè)于北京大學(xué)微電子學(xué)與固體電子學(xué)專業(yè)，并完成北京大學(xué)博士后研究工作。主持國家自然科學(xué)基金–青年科學(xué)基金項目1項，主要研究方向為集成光學(xué)和微納光子學(xué)。旨在探索納米尺度下光與物質(zhì)的相互作用規(guī)律，為設(shè)計和制備新型微納光電子器件、高效光熱集成功能器件、全光芯片等前沿應(yīng)用提供理論和技術(shù)基礎(chǔ)。相關(guān)研究成果已發(fā)表在包括Carbon、IEEE J. Sel. Top. QuantumElectron、J. Light. Technol.等高水平SCI期刊和CLEO、OECC、ACP等高水平國際會議上，共計近20余篇論文。其中作為第一作者發(fā)表了7篇SCI論文，包括JCR一區(qū)SCI論文4篇，其中1篇發(fā)表在國際著名光學(xué)期刊Carbon（IF：10.9，JCItop10%）。在碩博連讀期間，曾榮獲：北京市優(yōu)秀畢業(yè)生，北京大學(xué)優(yōu)秀畢業(yè)生，博士國家獎學(xué)金，碩士國家獎學(xué)金，五四獎學(xué)金，三好學(xué)生標兵，三好學(xué)生干部和三好學(xué)生等榮譽稱號。

趙東旭，博士、二級教授、博士生導(dǎo)師，吉林省杰出青年基金獲得者、長白山領(lǐng)軍人才、吉林省拔尖創(chuàng)新人才。曾任中國科學(xué)院二級研究員、特聘研究員，發(fā)光學(xué)及應(yīng)用國家重點實驗室常務(wù)副主任，中國物理學(xué)會發(fā)光分會秘書長等。多年來一直致力于高靈敏、高效率微納光電探測器研究。主持過國家重大裝備預(yù)研(3500 萬元)、KIW創(chuàng)新特區(qū)重點項目(2390萬元)、科技部重點研發(fā)計劃項目、科技部國際合作項目、“973”子課題等十余項科研攻關(guān)課題。獲得中國光學(xué)科技獎二等獎1項、中國科學(xué)院杰出科技成就獎1項、吉林省科技進步一等獎 3 項、吉林省自然科學(xué)二等獎1項，發(fā)表 SCI檢索論文 150 余篇，SCI他人正面引用 10000余次,完成銅互連紅外探測器成果轉(zhuǎn)化一項(轉(zhuǎn)化915萬元股權(quán))。

第一作者：黃培源同學(xué)感言

         都說科研這條路就像大浪淘沙，一轉(zhuǎn)眼就淘了三年，在這期間，我曾無數(shù)次想過放棄，但在一次又一次的挫折中，還是堅持了下來。在項目初期，我常常被復(fù)雜的理論和建模過程“卡殼”，特別是耦合哈密頓矩陣的推導(dǎo)和RCWA仿真的調(diào)參，一度讓我對科研產(chǎn)生動搖。幸運的是，我有黃加耀老師的全程指導(dǎo)，也有239伙伴們的互幫互助。每一次模型收斂，每一張色散圖出圖，都是信心的積累。如果說這次發(fā)表是一場戰(zhàn)役的勝利，那么我更珍視的是“準備這場戰(zhàn)役”的過程。它讓我明白，科研不只是實驗與重復(fù)，更是一場不斷挑戰(zhàn)自己認知邊界的旅程。回望過去的路，我要感謝秀婷老師和肖鵬老師帶我走上了科研這條路，讓我在磨煉中不斷提升能力。除此之外，更要感謝耀哥的支持，讓我義無反顧繼續(xù)走下去，每次遇到問題，加耀老師總會第一時間與我一同討論，這場亦師亦友的科研之旅讓我學(xué)到的不只是知識，更多是對心性和品格的完善。愿止于至善，對事物永遠保持好奇心，永遠謙遜。