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超穎材料結構之光學應用研究

為了解決giant momentum小折的問題，作者陳則安 這樣論述：

近年來，超穎材料被廣泛的運用在光電領域。藉由選用的材料以及經過設計的次波長週期結構，可精準的調控電磁波的偏振、振幅與相位等特性。隨著微影製程技術的成熟，無塵室製程可以輕易地製作出奈米元件，這也增廣了超材料的應用，例如完美吸收體、超穎透鏡、全像投影等等。第一個研究主題是利用電漿子能帶理論解析之雙曲超材料，雙曲超材料具有特別的電磁特性，可實現廣泛的應用，例如超分辨率和自發輻射。在預測和分析雙曲超材料的這些光學特性時，大多數研究人員採用有效介質理論。然而，該理論僅適用於長波長和無限堆疊層。為了探測表面狀態並驗證光學拓撲轉變，我們製作了由MgF2/Ag 交互堆疊而成的多層膜雙曲超材料。我們所有的分析

、數值計算和實驗測量表明，多層膜雙曲超材料的表面態色散曲線上的“過渡點” 僅取決於金屬層和介電層的厚度比。這的預測結果較傳統的有效介質理論準確。電漿子能帶理論的結果提供了更準確的預測，並可利用於的雙曲超材料的應用。第二個研究主題是超寬頻類黑體完美吸收體，過去幾年，電漿子共振的完美吸收體廣泛的運用在各種應用，例如生物感測器、非線性光學、濾波器和熱發射器。大多數的電漿子完美吸收體都是藉由電子束微影所製作而成，然而，電子束微影成本高昂，限制了這些設備的大規模生產和實際應用性。因此，我們提出了一個多層膜的結構，不需要藉由微影製程就可製作的結構。此多層膜可以同時再横磁模式以及横電模式近乎完美吸收波長90

0奈米到1900奈米的光。此外，此結構對於入射角度有很高的容忍度，在入射角小於70度時，可以吸收80%以上的電磁波。換句話說，我們成功的開發出一個寬頻且對於任意極化角以及任意入射角均可以完美吸收的類黑體完美吸收體。第三個研究主題是惠更斯超穎平面光偏折元件，在這項工作中，我們提出了由二氧化鈦奈米圓盤陣列組成的超穎介面。首先，材料的選擇，二氧化鈦有優異的高介電常數 (εreal≅ 6) 和低損耗 (εimag≅ 0)適合運用在此工作波段。藉由重疊奈米圓盤的電和磁共振以同時實現100%的穿透以及完整的 2π 相位。在本論文中，超穎介面構成的惠更斯模擬達近90%的穿透率。在實驗上，惠更斯超穎介面來穿透

率和以及光偏折效率，分別為 80% 和 15%。我們相信，所提議的惠更斯超穎平面光偏折元件將成為平面光學設備的新典範，包括超透鏡、全息和光束整形設備。

雙曲超穎材料之研究進展

為了解決giant momentum小折的問題，作者林宏易 這樣論述：

雙曲線超穎材料（hyperbolic metamaterial，HMM）已經成為具有令人興奮的功能的新型材料，特別是對於光電設備。但是，它們獨特的功能在激光作用下的實現受到很大限制。另外，為了滿足下一代可穿戴設備對物聯網的需求，非常需要開發可附接到任意基板上的柔性HMM。鑑於以往報導的不足，本論文旨在解決現有的難題，嘗試提高HMM的功能性，並擴展HMM的潛在應用。本論文的主要突破如下：雙曲超穎材料可以增強隨機雷射。我們提供了將HMM與發光奈米結構集成在一起的首次嘗試，這可以在降低雷射閾值的情況下極大地增強隨機雷射作用。有趣的是，差分量子效率可以提高四倍以上。基於HMM激發的高階波向量模態可以

極大地增加形成閉環的可能性，從而降低了矩陣中散射光子的傳播所消耗的能量，這一事實可以很好地解釋。另外，由於與發光奈米顆粒的隨機分佈的耦合，高階波向量模態的外耦合傳播到達遠場而不會被困在HMM內。執行從有限差分時域（finite-difference time-domain，FDTD）方法派生的電磁仿真以支持我們的解釋。在HMM的幫助下實現對雷射作用的強烈增強，為開發高性能光電元件（包括光電晶體管和許多其他固態照明系統）提供了一種有吸引力，非常簡單且有效的方案。此外，由於借助HMM結構增加了光吸收，因此我們展示的方法對於高效太陽能電池的應用也很有用。雙曲超穎材料可以用作瞬態和柔性超穎材料。瞬態技

術被認為是其特定功能的最重要突破，它可以在特定時間實施然後完全溶解。具有用於負折射的高階波向量模態或具有高光子態密度（photonic density of states，PDOS）的HMM，可以有效地增強量子轉換效率，這些HMM代表了用於生成尚未實現的光電元件的新興關鍵要素之一。但是，尚未探索將HMM應用於瞬態技術。在這裡，我們展示了將瞬態技術與HMM（即瞬態HMM）集成在一起的首次嘗試，該過程由水溶性和生物相容性聚合物和金屬的多層組成。我們證明了我們新設計的瞬態HMM也可以具有高階波向量模態和高PDOS，這可以顯著增強覆蓋在HMM頂部的發光器。我們表明，這些瞬態HMM設備在5分鐘內浸入去離

子水中後會失去功能。此外，當瞬態HMM與柔性基板集成在一起時，該元件在超過3000個彎曲循環中表現出出色的機械穩定性。我們預計，這裡開發的瞬態HMM可以用作通用平台，以提高瞬態技術的廣泛應用範圍，包括固態照明、光通信和可穿戴光電設備等。奈米級核－殼雙曲結構可以增強隨機雷射作用。等離子材料以其出色的定制發光，重塑能態密度（density of states，DOS）和聚焦次波長光而出現了多種功能。但是，受其傳播損耗和窄帶共振的限制，等離子體材料提供寬帶DOS來推進其應用是一個挑戰。在這裡，我們開發了一種新穎的奈米級核－殼雙曲結構，由於與等離激元基的純金屬奈米粒子相比，DOS更高且電子的集體振盪時

間更長，因此在多殼奈米級複合材料內部具有顯著的耦合效應。隨後，在表面形成表面等離子體共振之巨大局部電磁波，引起明顯的外耦合效應。具體來說，奈米級核－殼雙曲線結構很好地限制了能量而不會衰減，從而減少了傳播損失，然後以前所未有的超低閾值（∼30 μJ/cm2）實現了前所未有的受激發射（染料分子的隨機激射作用）。此外，由於奈米級核－殼雙曲線結構的徑向對稱性，高波矢量模態的激發和誘導的附加DOS很容易獲得。我們認為，奈米級核－殼雙曲線結構為擴大基於等離子體的應用的發展鋪平了道路，例如：太陽能電池的高光電轉換效率、大功率提取發光二極管、寬光譜光電探測器、將發射器內部攜帶於球殼部分的定量螢光顯微鏡，以及生

物發光成像系統用於人體體內和體外研究。柔性和可捲曲雙曲超穎材料可以增強隨機雷射作用。在保持其原始功能的同時，能夠適應尺寸減小的自由曲面的可滾動光子裝置是非常需要的。在光子元件中，動量空間中具有雙曲線色散的HMM擁有大型PDOS，事實證明，該PDOS可以促進光物質相互作用。但是，這些元件主要在剛性基板上開發，從而限制了它們的功能。在這裡，我們提出了在紙質基材上整合由聚合物和金屬多層組成的柔性和可捲曲HMM的首次嘗試。有趣的是，這種獨特的設計能夠展現出高PDOS和散射效率，從而增強了受激輻射並引起了明顯的雷射作用。柔性且可捲曲的HMM結構在曲率半徑為1 釐米的自由曲面上仍能很好地保持其功能，並且可

以承受反覆彎曲而不會降低性能。與平坦表面相比，雷射作用的強度提高了3.5倍。我們預計，這種靈活且可捲曲的HMM結構可以用作靈活的光子技術的多樣化平台，例如發光元件、可穿戴光電和光通信。