【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，北京理工大學物理學院姚裕貴院士團隊王沖副教授、李彩珍副教授與復(fù)旦大學晏湖根教授團隊合作，在范德華金屬紅外等離激元動態(tài)調(diào)控方面取得重要進展。研究團隊利用柵壓驅(qū)動鋰離子插層，實現(xiàn)了 NbSe2 薄膜中紅外等離激元的連續(xù)、可逆和超寬帶調(diào)控。研究發(fā)現(xiàn)，鋰離子插層可協(xié)同調(diào)節(jié)自由載流子響應(yīng)與高能帶間躍遷屏蔽效應(yīng)，使等離激元共振在單一材料中實現(xiàn)超過 5500 cm-1 的連續(xù)調(diào)諧，覆蓋近紅外通信、中紅外大氣窗口并延伸至熱遠紅外區(qū)域。在此基礎(chǔ)上，研究團隊進一步實現(xiàn)了動態(tài)可調(diào)紅外熱發(fā)射及可逆熱輻射圖案。相關(guān)成果以“Ultrabroadband and Reversible Tuning of Infrared Plasmons in van der Waals Metal Films”為題發(fā)表在Nano Letters。
 

　　等離激元是自由載流子集體振蕩與電磁場耦合形成的電磁激發(fā)，具有深亞波長光場束縛和強光—物質(zhì)相互作用等特點，在紅外探測、分子傳感和熱輻射調(diào)控等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用潛力。然而，傳統(tǒng)貴金屬載流子濃度高、動態(tài)調(diào)控困難，而石墨烯等可調(diào)材料又受到載流子調(diào)控范圍和本征能帶結(jié)構(gòu)限制，難以在單一器件中兼顧寬光譜、連續(xù)性和可逆性。為突破這一瓶頸，研究團隊引入鋰離子插層這一調(diào)控手段，通過改變 NbSe2 的電子結(jié)構(gòu)與介電屏蔽，實現(xiàn)對等離激元響應(yīng)的大范圍動態(tài)調(diào)節(jié)。
 

　　在實驗中，研究團隊將 NbSe2 薄膜集成到離子柵器件中，并結(jié)合原位紅外顯微光譜與電輸運測量研究插層過程。如圖1所示，隨著柵壓升高，NbSe2 的低頻 Drude 自由載流子響應(yīng)逐漸減弱，光譜權(quán)重向高能帶間躍遷轉(zhuǎn)移，同時樣品電阻顯著增加。反向施加柵壓使鋰離子脫出后，紅外光譜及電輸運性質(zhì)均能夠恢復(fù)，表明鋰離子插層可以實現(xiàn)對 NbSe2 電子與光學響應(yīng)的可逆調(diào)控。
 

　　為在遠場條件下激發(fā)等離激元，研究團隊將 NbSe2 制備成周期性納米條帶陣列。如圖2所示，鋰離子逐漸插入后，等離激元共振峰持續(xù)向低頻移動，并伴隨共振強度和線寬的顯著變化，退插層后，共振峰重新恢復(fù)至初始狀態(tài)。循環(huán)實驗進一步表明，等離激元峰位及消光強度能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定、可重復(fù)的周期性調(diào)控，展現(xiàn)出良好的可逆性與循環(huán)穩(wěn)定性。
 

　　為揭示巨大調(diào)諧范圍的物理機制，研究團隊制備了不同寬度的 NbSe2 納米條帶，并系統(tǒng)測量不同插層狀態(tài)下的等離激元色散。如圖3所示，隨著插層進行，等離激元色散整體發(fā)生顯著紅移。理論分析表明，鋰離子插層一方面降低自由載流子的 Drude 權(quán)重，另一方面增強高能帶間躍遷產(chǎn)生的電子屏蔽，兩種效應(yīng)協(xié)同改變等離激元色散關(guān)系?；谶@一機制，單個器件中的等離激元共振可從 6359 cm-1 連續(xù)調(diào)節(jié)至 800 cm-1，調(diào)諧范圍超過 5500 cm-1，平均相對調(diào)諧深度接近86%。
 

　　基于超寬帶等離激元調(diào)諧，研究團隊進一步實現(xiàn)了紅外熱發(fā)射的動態(tài)控制。如圖4所示，鋰離子插層能夠連續(xù)改變熱發(fā)射峰的位置和強度，使器件的發(fā)射波長跨越近紅外、中紅外及熱紅外波段。研究團隊進一步制備了由 NbSe2 微納結(jié)構(gòu)組成的“BIT”圖案：初始狀態(tài)下可在紅外熱像儀中觀察到清晰熱輻射圖案；插層后，等離激元共振移出探測波段，圖案隨之消失；退插層后，熱圖案再次恢復(fù)，實現(xiàn)了熱輻射信號的可逆調(diào)控。
 

　　綜上所述，本工作利用鋰離子插層實現(xiàn)了范德華金屬 NbSe2 紅外等離激元的連續(xù)、可逆和超寬帶調(diào)控，并進一步將其應(yīng)用于動態(tài)熱發(fā)射和紅外熱顯示，為可重構(gòu)紅外納米光子學、智能熱管理及紅外信息顯示提供了新的材料平臺和調(diào)控途徑。
 

　　北京理工大學物理學院姚裕貴院士團隊成員王沖副教授、李彩珍副教授為論文通訊作者，博士生畢文齊為第一作者。該研究獲得國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃等項目資助。
 

　　引用：北京理工大學團隊在超寬帶可逆調(diào)控紅外等離激元研究方面取得重要進展 北京理工大學 【引用時間：2026年8月28日】