貴金屬納米結構表面等離激元研究獲系列進展

近期，科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所副研究員張俊喜與科學技術大學光學與光學工程系、英國 Aston 大學光子技術研究所（AIPT）、澳大利亞國立大學非線性物理中心等單位科研人員合作，在貴金屬納米結構表面等離激元研究中取得系列進展。

實現光與物質之間強的相互作用在設計光子器件上有重要意義，構築共振腔體是實現光與物質強相互作用的重要途徑。傳統介電共振腔體有高的品質因子，但模式體積大，要減小其物理尺寸到亞波長受到光衍射極限限制。相比之下，表面等離激元共振腔能突破光衍射極限，能在亞波長和納米尺度上實現對光子的操縱，因而它將在光源、感測和表面增強光譜等方面有重要的應用前景。當前影響表面等離激元共振腔性能的瓶頸是損耗大，如何控制表面等離激元模式和耦合界面是突破這一瓶頸的關鍵。

張俊喜等在表面等離激元共振腔模式方面取得新的突破，在金納米管陣列超材料腔體中發現了一種表面等離激元新的雜化模式。發展氧化鋁模板電沉積技術控制製備金納米管陣列超材料，通過控制納米管長度實現對錶面等離激元諧波模式數量和諧波階（奇數和偶數階）以及不同階諧波模式峰位的調控。採用時域有限差分法（FDTD）模擬發現金納米管管壁表面不同階諧波模式光場呈駐波形式，由此可以作為表面等離激元共振腔。第一次在這種納米管陣列中發現橫向模式和縱向模式耦合產生的表面等離激元T-L雜化模式和異常光透射（EOT）耦合增強現象。這種新型的表面等離激元共振腔及其雜化模式有望用於設計高性能的納米光子器件。該工作發表在《先進光學材料》（Advanced Optical Materials 5 (4), 1600731 (2017)）上。

同時基於銀納米棒陣列超材料設計了一種周期性耦合界面全開放形式的表面等離激元共振腔。發現納米棒周期性界面顯示強的表面等離激元腔模式，它是由納米棒之間的表面等離激元近場耦合效應引起的。發現納米棒陣列全開放腔體與金膜基底之間存在一種新的表面等離激元耦合模，隨腔體與基底之間間隙增加，耦合模共振峰位發生藍移、能量從腔體向基底發生轉移。這種全開放形式的表面等離激元納米共振腔便於轉移到其它基底上，這為設計納米光子器件及其應用提供原理和材料支持。該工作發表在《納米技術》（Nanotechnology 27 (41), 415708 (2016)）上。

圖1. 發表論文被選為卷首插畫

圖2. (a) 金納米管陣列超材料 SEM 照片，(b) 金納米管陣列超材料三階諧波模式及光場分佈，(c) 不同管壁厚度(17 nm，10 nm 和5 nm )金納米管陣列表面等離激元共振腔的反射光譜，(d) T-L 雜化表面等離激元模式隨管壁厚度的光場分佈及異常光透射（EOT）耦合增強現象

圖3. (a) 銀納米棒陣列超材料 SEM 照片和示意圖，(b) 不同長度銀納米棒陣列超材料表面等離激元不同階共振模式反射光譜，(c) 相同長度銀納米棒超材料的表面等離激元不同階腔模式光場分佈，(d) 銀納米棒陣列共振腔與金屬膜基底之間間隙引起的耦合模光場分佈