徐红星团队在轻掺杂硅纳米材料中首次观察到了受限载流子-声子散射导致的光热电效应。该工作 以“Giant Photothermoelectric Effect in Silicon Nanoribbon Photodetectors”（《 硅纳米带光电 探测器中的巨大光热电效应》）为题发表在Light: Science & Applications（《光：科学与应用》）上 。武汉大学为第一署名单位，博士生代伟、博士毕业生刘维康为共同第一作者，徐红星教授与管志强副教 授为通讯作者。论文作者还包括武汉大学的刘昌教授和博士生徐超。 光热电效应（Photothermoelectric effect）是利用光激发纳米材料中产生的热载流子的浓度和温度梯度 来驱动载流子定向运动来产生开路电压/短路电流光电响应的一种新型光电转换机制。由于可以利用光生 载流子弛豫过程中损失的热能，提高光电探测器的光响应度和太阳能电池的能量转化效率，光热电效应近 年来得到广泛关注。已报道的光热电效应研究集中在低维材料，如碳纳米管、石墨烯、黑磷、III–V族半 导体纳米线等。但这些材料较低的光吸收和难以大面积可控的制备，限制了光热电效应这一新型光电转换 机制在太阳能电池和光电探测器方面的实际应用。 徐红星课题组通过结合来源丰富、与CMOS工艺兼容的硅材料与先进的微纳加工技术，首次在硅纳米材料中 实现了不同于晶格温度的热载流子温度场稳态分布，结合包含载流子-晶格双温度模型的光-热-电多物理 场模型对硅光热电效应光电响应进行了模拟和优化设计，通过欧姆型电极接触和利用轻掺杂硅纳米材料成 功实现了基于光热电效应的高达105 V W-1 @633 nm的开路光电压响应，比先前文献报道光热电效应光电 响应高3-4个数量级，为利用光热电效应和热载流子能量提高光电转换效率的实际应用提供了重要思路。 此外，徐红星课题组通过结合硅带状纳米材料与金纳米光栅结构，首次实现了具有偏振、波长分辨的等离 激元增强光热电型硅基光电探测器。通过金纳米光栅等离激元结构引起硅材料中的共振光吸收进一步提高 了器件的光电响应，并且具有波长、偏振等响应敏感性。这一成果早前发表在国际著名刊物Nanoscale上 。 以上研究得到了国家重点研发项目、国家自然科学基金等基金资助。 论文链接： https://www.nature.com/articles/s41377-020-00364-x https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/nr/c8nr10222h

12月5日晚，第十届“我心目中的好导师”颁奖典礼在人文馆主厅举行，课题组组长徐红星教授获评武汉大学第十届“我心目中的好导师”。创新是时代的主题，徐红星教授寄语广大年轻学子，要有自由的思想，成为灵魂的主人；要加强各方面修养，有人文情怀，观天地之美，探万物之灵；要有渊博知识和拼搏精神，把握住时代脉搏，实现更大的发展。

Prof. Zhiyuan Li visited our group on Nov. 12-13, and gave a talk on "波粒二象性之新解：理论分析和实验验证".

Prof. Markus B. Raschke (University of Colorado) visited our group on Nov. 03-04, and gave a talk on "Tip-enhanced strong coupling: Broadband room temperature nano-cavity QED with single emitters".

我院徐红星教授研究组在光子自旋-轨道耦合效应领域取得重要进展，实现手性拉曼信号的定向耦合。论文于10月30日以“Routing a Chiral Raman Signal Based on Spin-Orbit Interaction of Light”为题发表在《Physical Review Letters》期刊上。论文第一署名单位是武汉大学物理科学与技术学院，我院博士生郭全兵为第一作者，张顺平副教授与徐红星教授为通讯作者。 电磁场的空间局域可以显著增强光的自旋-轨道耦合相互作用。对于局域在不同介质的界面上的表面波，例如表面等离激元，自旋-轨道耦合效应体现为表面波的横向自旋角动量与该表面波的传播方向存在一对一的关联性。这类自旋-传播方向锁定效应可用来操纵小颗粒的光散射或光发射体的辐射方向，用于实现纳米光子学或量子光学的功能性器件。然而，以往的研究只局限于调控弹性散射或者荧光发射行为，而对于非弹性散射的光信息操纵却从未涉及。 在他们前期工作（Phys. Rev. Lett. 117, 166803 (2016)）的基础上，徐红星课题组拓展光的自旋动量锁定效应至非弹性散射领域（拉曼散射），利用单根银纳米线对二维材料的手性拉曼信号实现了定向操纵。实验上证明手性拉曼与表面等离激元的定向性耦合高达91.5 ± 0.5%，逼近理论极限（如下图）。研究表明该定向性高度依赖于局域的自旋场密度以及拉曼信号的圆偏振度，同时不受入射激光波长的限制。光的自旋-轨道相互作用的延伸与应用，丰富了传统的手性光子学的内容，为基于非弹性散射的光信息处理操纵等微纳器件提供了新的方案。 该项研究工作得到国家重点基础研究发展计划（973）、国家自然科学基金委和中国科学院先导专项等项目的支持。论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.183903

Dr. Dennis Couwenberg (Editor of Nanophotonics) visited our group on Oct. 27-28, and gave a talk on "How to get published in the journal Nanophotonics".

近日，我院徐红星教授研究组依托武汉大学纳米中心微加工实验室，首次实现了等离激元调制的光热电型硅基光电探测器。该工作以“A plasmon modulated photothermoelectric photodetector in silicon nanostripes”为题在国际著名刊物Nanoscale上发表。论文第一署名单位是武汉大学，博士生刘维康为第一作者，管志强副教授和徐红星教授为共同通讯作者。 光热电效应（Photothermoelectric effect）是近年来发现的一种新型光电探测机制。在光热电过程中，光电响应是由光致热载流子的温度梯度驱动产生，不同于热电响应中由声子温度梯度导致的热电响应机制。光热电效应因在二维材料中被发现其响应超过光伏效应而受到广泛关注。如何结合等离激元等纳米光学前沿研究，利用光热电效应实现太阳能电池、光电探测器等在波长范围、偏振响应等性能上的提高，是当前光热电领域关注的焦点。 在本工作中，徐红星课题组通过结合硅带状纳米材料与金纳米光栅结构，首次实现了具有偏振、波长分辨的等离激元增强光热电型硅基光电探测器。通过制备欧姆型电极接触，有效避免了光伏效应的影响，保证了硅纳米材料中较强的光热电效应响应。光热电效应的高效响应，一方面归功于轻掺杂硅纳米材料较高的塞贝克系数，另一方面得益于金纳米光栅等离激元结构引起硅材料中的共振光吸收。在633nm激光照射下，我们制备的器件实现了高达的开路光电压响应，并且具有波长、偏振等特异光电响应。相关工作为进一步探索基于光热电效应的新型光电器件打下了基础。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金的支持。论文链接: https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/nr/c8nr10222h

近日，我院徐红星教授研究组依托武汉大学微纳米加工实验室，利用空腔模式实现微流环境下分子的实时拉曼探测。该工作以“Real-time Raman detection by the cavity mode enhanced Raman scattering”为题在国际著名刊物《纳米研究》（Nano Research）上发表。论文第一署名单位是武汉大学，博士生刘扬为第一作者，管志强副教授和徐红星教授为共同通讯作者。拉曼光谱，通过分子对入射光的非弹性散射光的分析，可以得到分子振动、转动方面的“指纹式”信息。激光技术和表面等离激元共振提供的巨大局域电磁场增强，为利用拉曼光谱分子识别的实用化打开了大门。表面增强拉曼散射（surface enhanced Raman scattering，SERS）的探测的灵敏度甚至可以低至单分子水平。但是在结合表面增强拉曼散射和生物医学检测微流控芯片技术时，受限于待测分子在金属表面的特异吸附和极小的有效热点区域，检测芯片的检测速度和可重复利用性等存在问题。另外，基于自下而上的表面增强拉曼衬底在信号均匀性和可重复性方面可控性较差。针对这些问题，该团队利用微纳加工可控制备双层金属光栅结构，通过激发空腔模式将电磁场增强区域调控至光栅槽中来增强溶液中分子的拉曼信号，实现了在微流控器件中对分子拉曼信号的实时监测，并展示了增强拉曼衬底的良好均一性、稳定性以及可重复利用性。该工作通过调控光栅结构参数，首次在实验上证实了空腔模式激发与拉曼信号增强的关联性。通过使用两种拉曼探针分子，我们表征了器件在水溶液环境下基于表面电磁场增强和基于空腔模式电磁场增强的两种不同拉曼信号增强探测机制。4-巯基苯甲酸（4-Mercaptobenzoic acid，4-MBA）分子由于具有巯基，会在金属表面上形成自组装单层分子层，被用于表征表面增强拉曼散射和阻止溶液中的罗丹明6G（Rhodamine 6G，R6G）分子同金属表面的吸附；而R6G分子被用于表征空腔模式增强拉曼散射。通过将双层金属光栅增强衬底与微流系统结合，我们实现了低于1分钟的R6G分子拉曼信号实时监测，并验证了基底的可重复利用性。与传统表面增强拉曼基底不同，这种利用腔模式增强拉曼信号的基底无需待测分子吸附在金属结构表面，从而缩短了拉曼实验准备时间，提高了测试的效率。该工作为片上集成芯片-SERS（LoC-SERS）在食品和环境安全、疾病的早期诊断、生物医药检测、生物环境和化学反应的原位监测等方面的应用提供了重要的实现路径。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委的支持。论文链接: https://rd.springer.com/article/10.1007/s12274-019-2414-8