撰文丨王攀
表面等离激元是一种存在于金属（或掺杂半导体）-介质界面的电磁极化和振荡现象，可以对光场实现亚波长尺度的局域和增强，显著增强纳米尺度光与物质的相互作用，从而在导波、生化传感、超快调制、纳米激光器以及非线性光学等领域具有重要应用前景。表面等离激元的激发主要采用受衍射极限限制的光学激发方式，通常需要棱镜、光栅、显微物镜等大尺寸光学元件的辅助，这极大限制了等离激元器件的小型化和片上高密度集成。通过将等离激元纳米结构和隧道结集成起来，低能量的隧穿电子可以直接激发该结构的等离激元模式并辐射发光，具有超小尺寸、超快调制速度等优点，为电驱动等离激元器件的研究和应用提供了新的途径。
近日，浙江大学光电科学与工程学院，现代光学仪器国家重点实验室王攀研究员团队在《人工晶体学报》 发表了题为“基于非弹性电子隧穿的表面等离激元激发”的综合评述（第一作者：郑钧升）。文章在介绍基于电子隧穿效应等离激元电激发的基本原理和早期研究成果基础上，重点介绍了该研究领域在近期所取得的突破性进展，包括表面等离极化激元（surface plasmon polariton, SPP）和局域型表面等离激元共振（localized surface plasmon resonance, LSPR）的激发以及对其辐射方向性的控制。
论文题录●●
郑钧升,刘璐芳,潘陈馨钰,郭欣,童利民,王攀.基于非弹性电子隧穿的表面等离激元激发[J].人工晶体学报,2021,50(7):1275-1286.
ZHENG Junsheng, LIU Lufang, PAN Chenxinyu, GUO Xin, TONG Limin, WANG Pan. Inelastic Electron Tunneling-Based Excitation of Surface Plasmons[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2021, 50(7): 1275-1286.
//文章导读
根据量子力学原理，当金属-绝缘层-金属（metal-insulator-metal, MIM）结构中绝缘层厚度足够小时，由于电子的波动性，它们有一定的概率从MIM结构的一侧金属“隧穿”经过势垒到达另一侧金属。这种可以观察到电子隧穿现象的MIM结构通常被称为隧道结，当在隧道结上施加一定的偏压时，部分电子发生非弹性隧穿，其损失的能量可以激发隧道结支持的等离激元模式，随后该等离激元模式在一定条件下以SPP形式或者自由空间光子形式辐射出去（见图1）。
图1 基于电子隧穿效应的等离激元隧道结的结构和基本原理示意图
基于非弹性电子隧穿的等离激元激发方式在研究初期面临激发效率的挑战。通过调控等离激元隧道结的局域光学态密度和辐射效率，可以实现对其等离激元激发效率（内量子效率）和发光效率（外量子效率）的有效调节。最近，通过将隧道结和光学纳米天线结合起来，电激发等离激元结构的内外量子效率均得到显著提升，产生了一系列重要成果，如图2所示。
图2 各种形式的电驱动光学纳米天线
目前，通过调控隧道结局域光学态密度和辐射效率，等离激元隧道结内外量子效率均获得了显著提升。但是，其整体输出功率仍然很大，通常在皮瓦量级或者更低，极大限制电驱动等离激元隧道结的实际应用。这主要是因为单个纳米尺度隧道结内的隧穿电流非常小，从根本上限制了等离激元隧道结的输出功率。针对该问题，本团队构建了毫米尺度高密度隧道结阵列（见图3(a)、(b)），在2.5 V偏压下可以肉眼直接观察到红光辐射（见图3(c)），所测得的发光功率在100 nW左右，这使得其在实际应用（如光学传感）时光信号的检测变得相对简单。基于该结构，进一步研究了隧道结内弹性和非弹性隧穿共同作用引发的光-电-物质相互作用（见图3(d)~(f))。
图3 电驱动金纳米棒阵列超材料
除了耦合输出为自由空间光子，非弹性隧穿激发的隧道结内间隙等离激元模式也可以耦合为导波形式的等离激元或光子模式，如图4所示，在光电混合集成芯片、片上光互连等领域具有重要应用价值。
图4 电激发等离激元模式导波输出的不同实现方案
控制光场辐射方向是微纳尺度光场调控的一个重要研究课题，在纳米光子学应用中具有重要意义。通过结构设计可以实现电子非弹性隧穿激发的等离激元和光子的定向传输，如图5所示，在片上无线光信号传输等领域具有重要应用价值。
图5 电激发等离激元模式及其辐射光场的方向性控制
//结论与展望
文章简要综述了基于电子隧穿效应的表面等离激元激发及发光研究的最新进展，相关研究为表面等离激元器件的小型化和片上集成提供了一个新的机遇。但是，对于基于非弹性隧穿的等离激元激发技术及相应器件的实际应用，仍然还有很多问题需要解决。例如：如何进一步提高单个隧道结的整体输出功率以满足实际应用需求；如何通过理论和结构设计优化非弹性隧穿激发的MIM等离激元模式和SPP的耦合效率；如何利用电子隧穿效应实现表面等离激元的窄带激发和发光。此外，等离激元隧道结器件在实际工作中的长期稳定性也是亟待解决的一个关键问题。尽管存在诸多挑战，作为纳米尺度下连接电子学和等离激元光子学一种超快且紧凑的方案，基于非弹性隧穿的等离激元激发技术仍将吸引人们的研究兴趣并有望在纳米光电子器件、光互连、光学传感等领域获得广泛应用。
通信作者●●
王攀，浙江大学光电科学与工程学院研究员，博士生导师。2008年本科毕业于浙江大学光电信息工程学系，2013年获浙江大学光学工程博士学位，2014—2019年在英国伦敦国王学院物理系从事博士后研究工作，2019年受聘浙江大学百人计划研究员。主要从事微纳光子技术及器件应用的相关研究，在Nature Nanotechnology等期刊发表论文50余篇。主持国家自然科学基金青年基金、面上项目等研究项目。担任中国激光杂志社青年编委，Nature Electronics、Nature Communications等期刊审稿人，获中国光学学会第九届王大珩高校学生光学奖（2012）、中国仪器仪表学会金国藩青年学子奖（2021）等奖励荣誉。
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