Advanced Materials: 可調(diào)諧低損耗維InAs納米線(xiàn)的表面等離激元研究

    亞波長(zhǎng)下光的調(diào)控與操縱對(duì)縮小光電器件的體積、能耗、集成度以及響應(yīng)靈敏度有著重要意義。其中，外場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下由電子集體振蕩形成的表面等離激元能將光局域在納米尺度空間中，是實(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)光學(xué)傳播與調(diào)控的有效途徑之。然而，表面等離激元技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵目標(biāo)是同時(shí)實(shí)現(xiàn)：①高的空間局域性，②低的傳播損耗，③具有可調(diào)控性。但是，由于金屬表面等離激元空間局域性較小，在長(zhǎng)波段損耗較大且無(wú)法電學(xué)調(diào)控限制了其實(shí)用化。

    可喜的是：近期，由中科院物理所和北京大學(xué)組成的研究團(tuán)隊(duì)報(bào)道了砷化銦（InAs）納米線(xiàn)作為種等離激元材料可同時(shí)滿(mǎn)足以上三個(gè)要求。作者用neaspec公司的近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡（neaSNOM, s-SNOM）在納米尺度對(duì)砷化銦納米線(xiàn)表面等離激元進(jìn)行近場(chǎng)成像并獲得其色散關(guān)系。通過(guò)改變納米線(xiàn)的直徑以及周?chē)殡姯h(huán)境，實(shí)現(xiàn)了對(duì)表面等離激元性質(zhì)的調(diào)控，包括其波長(zhǎng)、色散、局域因子以及傳波損耗等。作者發(fā)現(xiàn)InAs納米線(xiàn)表面等離激元展現(xiàn)出：①制備簡(jiǎn)易，②高局域性，③低的傳波損耗，④具有可調(diào)控性，這為用于未來(lái)亞波長(zhǎng)應(yīng)用的新型等離子體電路提供了個(gè)新的選擇。該工作發(fā)表在高水平的Advanced Materials 雜志上。

圖1 neaspec超高分辨散射式近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡neaSNOM

圖2 InAs納米線(xiàn)中表面等離激元的紅外近場(chǎng)成像研究

    a) s-SNOM實(shí)驗(yàn)測(cè)量示意圖；b) InAs納米線(xiàn)的AFM形貌圖；c) InAs納米線(xiàn)的紅外（901 cm−1）近場(chǎng)光學(xué)成像；d) 相應(yīng)的模擬結(jié)果；e) c和d相應(yīng)區(qū)域的界面分析；f) InAs納米線(xiàn)的紅外（930 cm−1）近場(chǎng)光學(xué)成像；g) InAs納米線(xiàn)的紅外（950 cm−1）近場(chǎng)光學(xué)成像；h) InAs納米線(xiàn)的紅外（930 cm−1）近場(chǎng)光學(xué)成像。

    該研究小組通過(guò)neaspec公司的散射型近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡（s-SNOM）配合901–985 cm−1可調(diào)諧中紅外QCL激光器，采用neaspec公司的偽外差近場(chǎng)成像技術(shù)的neaSNOM近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡，對(duì)約為104 nm長(zhǎng)的InAs納米線(xiàn)的表面等離激元進(jìn)行了研究。從近場(chǎng)成像圖（圖2 c）中可以看出，在930 cm−1紅外光及AFM探針的激發(fā)下，表面產(chǎn)生的等離激元沿InAs維納米線(xiàn)傳播，并從納米線(xiàn)邊緣反射回來(lái)產(chǎn)生相應(yīng)的駐波圖形。另外，可以通過(guò)定量分析表面等離激元傳播的相鄰的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)（(λp/2）的空間距離來(lái)推斷表面等離激元傳播的波長(zhǎng)（λp）。同時(shí)，作者也在不同的紅外波長(zhǎng)下（930, 950, 和985 cm−1,圖2 f, g, h）對(duì)InAs納米線(xiàn)的表面等離激元進(jìn)行了納米尺度近場(chǎng)光學(xué)成像研究，結(jié)果顯示出相似的駐波圖形。上述研究結(jié)果證實(shí)作者通過(guò)neaspec公司的散射型近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡對(duì)InAs納米線(xiàn)的近場(chǎng)成像研究成功觀察到了InAs納米線(xiàn)中的維等離激元。

    該研究在通過(guò)s-SNOM紅外近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡展示了在InAs納米線(xiàn)中等離激元的真實(shí)空間成像。作者的進(jìn)步研究表明其等離激元的波長(zhǎng)以及它的阻尼都可以通過(guò)改變InAs納米線(xiàn)的尺寸和選擇不同基底來(lái)調(diào)控。研究顯示半導(dǎo)體的InAs納米線(xiàn)具有應(yīng)用于小型光學(xué)電路和集成設(shè)備的巨大潛力。作者的發(fā)現(xiàn)開(kāi)辟了條設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)新型等離激元和納米光子設(shè)備的新途徑。同時(shí)，該研究也展示了neaspec公司的散射型近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡在半導(dǎo)體維或二維材料納米光學(xué)研究中的廣闊應(yīng)用前景。

    截止目前為止，以neaspec穩(wěn)定的產(chǎn)品性能和服務(wù)為支撐，通過(guò)neaspec國(guó)內(nèi)用戶(hù)不斷的努力，neaspec國(guó)內(nèi)用戶(hù)2018年間發(fā)表了關(guān)于近場(chǎng)光學(xué)成像和光譜的文章共14篇：其中包括4 篇Advance Materials； Advance Functional Materials；Advance Science；Advanced Optical Materials和Nanoscale等。伴隨更多的研究者信賴(lài)和選擇neaspec近場(chǎng)和光譜相關(guān)產(chǎn)品， neaspec國(guó)內(nèi)群的不斷的持續(xù)增加，我們堅(jiān)信neaspec國(guó)內(nèi)用戶(hù)將在2018年取得更加豐厚的研究成果。

參考文獻(xiàn)：
Tunable Low Loss 1D Surface Plasmons in InAs Nanowires，Yixi Zhou, Runkun Chen, Jingyun Wang, Yisheng Huang, Ming Li, Yingjie Xing, Jiahua Duan, Jianjun Chen, James D. Farrell, H. Q. Xu, Jianing Chen， Adv. Mater. 2018, 1802551