撰稿 | 唐江山
近日，加拿大多伦多大学电子与计算机工程系 Nazir P. Kherani 团队，将凹槽宽度和凹槽长度作为调整参数，为纳米凹槽阵列中的彩虹捕获提供了一种通用的分析设计范例。该团队将此设计技术与通过多层薄膜沉积和聚焦离子束铣削制造相结合，从而实现了前所未有的低至5nm的特征尺寸以及相应的高达103的极端归一化局部场增强。
该文章发表在国际顶尖学术期刊《Light: Science &Applications》，题为“Tunable rainbow light trapping inultrathin resonator arrays”，Katelyn Dixon为论文的第一作者。
金属纳米结构中的等离子场增强是一种广泛使用的现象。应用包括通过表面增强拉曼光谱（SERS），等离激元增强荧光（PEF）和表面增强红外吸收（SEIRA）进行传感，以及其他领域，包括非线性光学，超分辨率光学和光增强催化。
针对这些应用，已经开发出了各种各样的纳米结构设计，它们使用了各种形状和尺寸的纳米颗粒以及等离激元材料中的纳米腔。通常，这些设计由谐振器阵列组成，谐振波长由各个单元的大小，形状和组成决定。将具有不同共振波长的纳米结构（例如多共振纳米颗粒和纳米腔）组合到单个设备中，可提供可调的，位置相关的彩虹场增强功能。但是，由于缺乏针对这些谐振器的解析解决方案，因此在不进行大量迭代详细模拟的情况下，在设计阶段准确预测纳米结构的谐振特性非常困难。
另外，迄今为止使用的制造方法将这些彩虹捕获结构内的间隙尺寸限制为50nm或更大。由于等离子场增强与间隙大小成反比，因此这种限制降低了可在这些设备中实现的场强。缺乏对彩虹捕获纳米结构的光谱响应的控制以及最小特征尺寸的限制，使得针对各种应用的器件的高效，多功能开发成为一个巨大的挑战。
在这项工作中，研究人员为长梯度（图一左）、宽梯度（图一中）和双梯度（图一右）的彩虹捕获阵列提供了一种通用的分析设计范例。
图一：彩虹捕获的长度梯度（左），宽度梯度（中）和双梯度（右）沟槽阵列。
首先研究者们通过分析计算准确地确定单个金属-绝缘体-金属（MIM）纳米沟槽的共振波长，该共振波长是沟槽宽度和长度的函数。利用这些计算来设计能够通过改变组成的纳米沟槽的宽度和长度以及首次通过一起改变两个参数来进行彩虹捕获的谐振器阵列（见图二b、c、d）。这些阵列是使用多层薄膜沉积和聚焦离子束（FIB）铣削技术制造的，由此可实现小至5 nm的凹槽宽度（见图三）-比以前的彩虹捕获研究报告的凹槽宽度小一个数量级，这提供了非常大的局部场增强可以达到103（见图二e、f、g）。
图二：(b c d) COMSOL模拟了整个可见光谱槽内的平均场强，分别进行了长梯度、宽梯度和双梯度设计。(e f g) COMSOL模拟了阵列表面的电场强度。
图三：a 制造工艺图 b沉积中心槽宽为5 nm的交替层阵列结构的TEM图像c 相同层状结构的横截面切片的SEM图像。
最后，通过远场高光谱显微镜证明了这些设备的彩虹捕获能力，并显示了实验结果与模拟之间的一致性（见图四）。快速设计和精确制造的结合为这些纳米凹槽阵列的实现奠定了基础，使其在传感和纳米光学领域得到了广泛的应用。
图四：(a)宽级阵列和(b)双梯度阵列的TM和TE极化的实验和模拟吸收数据和模拟电场数据。(c)宽级阵列在TM极化条件下吸收数据与阵列位置的函数关系。图中显示了阵列中位置的变化，而红色的线显示了吸收带的变化。(d)高光谱显微镜装置示意图。
该研究成果以"Tunable rainbow light trapping inultrathin resonator arrays"为题在线发表在Light: Science & Applications。
https://doi.org/10.1038/s41377-020-00428-y
文章来源：中科院长春光机所 Light学术出版中心
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