等離激元納米光子器件品質(zhì)因子研究獲新突破
等離激元是光與金屬中自由電子相互作用形成的一種電磁模式,能使光突破光學(xué)衍射極限的限制,從而實(shí)現(xiàn)納米光子芯片器件的大規(guī)模集成。由于焦耳熱引起的光學(xué)損耗在可見光波段尤為嚴(yán)重,嚴(yán)重降低了等離激元納米光子器件的性能。因此,除了等離激元增強(qiáng)拉曼光譜(SERS)傳感和等離激元共振(SPR)傳感等極少數(shù)應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)、氣體檢測以及環(huán)境和食品污染物痕量檢測等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了商用化外,絕大多數(shù)應(yīng)用(如等離激元納米激光和非線性光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換)距離商用化仍然十分遙遠(yuǎn)。等離激元納米光子器件的損耗問題,成為該領(lǐng)域研究人員長期以來面臨的最大挑戰(zhàn)。
前期人們主要通過優(yōu)化貴金屬(如金、銀)的制備工藝以降低其吸收和散射損耗。近年來,人們探索了堿金屬(如金屬鈉)和透明導(dǎo)電氧化物(ITO、AZO)等材料,甚至完全放棄金屬轉(zhuǎn)向全介電材料(如硅、氮化硅、二氧化鈦)來克服貴金屬的損耗問題。然而,由于貴金屬在場束縛、穩(wěn)定性等方面的獨(dú)特優(yōu)勢,許多納米光子器件仍然優(yōu)先采用貴金屬來實(shí)現(xiàn)。如何在給定貴金屬材料及其制備工藝的條件下,通過探索新型的結(jié)構(gòu)物理來有效抑制等離激元納米光子器件的損耗,是一個(gè)非常具有挑戰(zhàn)性的難題。
10月18日,國際知名光學(xué)材料期刊Advanced Optical Materials(《先進(jìn)光學(xué)材料》)發(fā)表了中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院集成所副研究員李光元團(tuán)隊(duì)的最新研究成果Plasmonic Metasurfaces with Quality Factors Up to 790 in the Visible,并選為后封面。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn),通過利用兩種表面晶格共振模式(SLR)的轉(zhuǎn)換,可以使得其損耗降低一個(gè)數(shù)量級,相應(yīng)地,評價(jià)損耗的品質(zhì)因子提高了一個(gè)數(shù)量級(即十倍以上),在可見光波段實(shí)驗(yàn)測得了高達(dá)790的超高品質(zhì)因子,是現(xiàn)有紀(jì)錄(330)的2.4倍。這為極大提高可見光波段基于等離激元超構(gòu)表面的上/下轉(zhuǎn)換熒光增強(qiáng)、納米激光、白光LED、高性能生化傳感、非線性光頻轉(zhuǎn)換等應(yīng)用的性能奠定了基礎(chǔ)。
對于貴金屬納米光子結(jié)構(gòu),人們已經(jīng)探索了多種新的物理機(jī)制來抑制其吸收損耗和散射損耗。其中,由局域等離激元共振和面內(nèi)衍射光相干耦合形成的SLR,由于具有窄線寬、高品質(zhì)因子(比品質(zhì)因子只有20~30的局域等離激元共振高了一個(gè)數(shù)量級)、大范圍內(nèi)的電場極大增強(qiáng)等獨(dú)特性質(zhì),兼具等離激元的場增強(qiáng)和衍射光場的低損耗的優(yōu)勢,在諸多等離激元納米光子器件的性能提升中展現(xiàn)出巨大的潛力。
SLR又可以分為面外SLR和面內(nèi)SLR。面外SLR具有比面內(nèi)SLR更高的品質(zhì)因子,然而,面外SLR自從2011年測得了高達(dá)150的品質(zhì)因子,打破了當(dāng)時(shí)的紀(jì)錄后,由于人們認(rèn)為支持面外SLR的金屬納米柱必須足夠高(90 納米以上),導(dǎo)致其品質(zhì)因子一直難以提升。十年來,經(jīng)過研究人員的持續(xù)努力,可見光波段面內(nèi)SLR的品質(zhì)因子已經(jīng)從60提升到了330的紀(jì)錄值。
在該研究中,作者采用貴金屬金和銀及其常規(guī)的納米加工工藝,深入探討了金屬納米柱的高度和入射角度對SLR品質(zhì)因子的影響機(jī)制。圖1的仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,將納米金柱的高度從100 納米降低到50納米,或者將入射角從15 增加到35 ,仿真和實(shí)驗(yàn)獲得的可見光面外SLR的品質(zhì)因子均提高了一個(gè)數(shù)量級,即可高達(dá)約1100(仿真值)和540(實(shí)驗(yàn)值)。上述品質(zhì)因子隨高度和入射角度的演化可以利用陣列偶極和S和單個(gè)金柱極化率 之間的相互作用來完美解釋。如圖2所示,隨著高度的降低或者入射角的的增加,S與1/ 的實(shí)部從兩個(gè)交點(diǎn)從沒有交點(diǎn),從而導(dǎo)致所得的SLR從第一類(等離激元特性占主導(dǎo))演變?yōu)榈诙悾ㄑ苌涔鈭鎏匦哉贾鲗?dǎo)),從而導(dǎo)致?lián)p耗極大降低,同時(shí)共振峰位從遠(yuǎn)離到接近衍射邊緣。將前述納米金柱陣列拓展到納米銀柱陣列,圖3顯示:通過將納米銀柱的高度從100 納米減小一半到50 納米,仿真得到的品質(zhì)因子也可以提高一個(gè)數(shù)量級。采用常規(guī)工藝加工出50 納米高度的納米銀柱陣列,獲得面外SLR的品質(zhì)因子仿真值可高達(dá)約1500,實(shí)驗(yàn)測量值高達(dá)790,是現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)世界紀(jì)錄值的2.4倍。
在這些前期基礎(chǔ)上,該研究進(jìn)一步打破傳統(tǒng)對面外SLR所必需的金屬納米柱高度限制,突破了可見光波段SLR的品質(zhì)因子紀(jì)錄。經(jīng)過五年探索,研究團(tuán)隊(duì)最終解決了從“仿真算出”到“實(shí)驗(yàn)測出”,最后到“理論預(yù)測出”超高品質(zhì)因子等一系列關(guān)鍵問題。
該研究中,深圳先進(jìn)院集成所副研究員李光元為論文通訊作者及第一作者。深圳先進(jìn)院為該研究第一單位。本工作得到了國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目面上項(xiàng)目和深圳市基礎(chǔ)研究重點(diǎn)項(xiàng)目的資助。

圖1. a-d) 仿真和實(shí)驗(yàn)的反射光譜,e,f)提取的品質(zhì)因子仿真、實(shí)驗(yàn)值。

圖2. 單個(gè)金柱的極化率倒數(shù)與陣列的偶極和隨納米柱高度和入射角度的演化。

圖3. a,b)周期性銀柱陣列的反射譜和仿真品質(zhì)因子隨高度的演化。c,d) 高度為50 nm的銀柱陣列的反射譜仿真與實(shí)驗(yàn)對比。

金屬納米柱陣列的高度減半,所支持的面外SLR的品質(zhì)因子提高一個(gè)數(shù)量級。隨著入射角度增加,面外SLR的品質(zhì)因子持續(xù)提高。
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