Nano Letters | 硅纳米结构的紫外等离激元- 大数跨境

两江科技评论

2019-10-09

导读：近日，新加坡科技研究局材料研究所董兆冈博士与苏州大学纳米学院王涛教授，新加坡设计大学Joel Yang教授合作首次实验研究了硅纳米结构紫外等离激元特性。同时，模拟计算显示，硅纳米结构在1纳米间隙下，紫

导读

硅是最常用的一种半导体材料，其工业制造工艺已经非常成熟。由于其高折射率和较低的光吸收，硅也被广泛应用于纳米光波导和纳米天线。近日，新加坡科技研究局材料研究所董兆冈博士与苏州大学纳米学院王涛教授，新加坡设计大学Joel Yang教授合作首次实验研究了硅纳米结构紫外等离激元特性。同时，模拟计算显示，硅纳米结构在1纳米间隙下，紫外光可以被增强500倍以上。相关成果于9月27日，以“Ultraviolet Interband Plasmonics With Si Nanostructures”在线发表在美国化学协会JCR一区期刊《Nano Letters》上。论文第一作者是董兆冈博士，论文第二作者是王涛教授, Joel Yang教授和董兆冈博士为共同通讯作者。

研究背景

表面等离激元是光和电子相互耦合共振引起的集体电磁振荡。在可见光和近红外波段，贵金属（比如金、银、铜）和金属氮化物是最常用的表面等离激元材料。在中红外波段，除了贵金属，其他常用的表面等离激元材料有单层石墨烯和掺杂的半导体等。在短波长的紫外光波段，铝是最常用的表面等离激元材料。除此之外，紫外光波段的研究热点材料有铑、镁、镓、铋等，但是这些材料的工业制备技术非常不成熟，很难大规模生产。相对而言，硅的工业制造技术非常完备，同时硅是一种p区元素，其电子在紫外波段有很强的带间跃迁，从而导致负的介电常数。迄今为止，硅纳米结构的表面等离激元特性还有待研究，特别是具有纳米天线增强的等离激元特性。

创新研究

在这项工作中，研究团队系统的研究了四种基本硅纳米结构（硅薄膜的单个孔洞、单个硅圆柱、以及其双耦合体）和硅-铝混合纳米结构的表面等离激元特性。研究发现，硅孔洞和硅圆柱的等离激元峰会随着其直径的增加而红移；其双耦合体的等离激元峰会随着其间隙的减小而红移。硅等离激元的这些特点与贵金属在可见光波段的等离激元性质类似。特别地，模拟计算显示，硅双耦合体的间隙小至1纳米时，紫外光可以被增强500倍以上，显示出其在紫外波段的局域场增强能力。这个工作的基础上，硅纳米结构将来可以被用于表面等离激元增强的紫外光探测器、紫外催化、紫外感测、紫外高次谐波等等。同时，这个工作展示了硅纳米结构具有多功能纳米光学特性，比如在可见光波段的Mie共振模态和紫外的表面等离激元模态，将来可以被用来设计特殊功能的纳米光学器件。除此以外，本质上不同于传统贵金属，硅的表面等离激元是光和束缚电子相互耦合的结果，而传统贵金属的表面等离激元是光和自由电子相互耦合。所以，硅纳米天线在1纳米以下间隙的量子光学特性可能不同于贵金属纳米天线。这些基本的纳米光学特性需要更多后续的实验和更为深入的理论研究。

图文速览

图1. 四种最基本的硅纳米结构。

（a）硅薄膜上的单个孔洞。（b）单个硅圆柱。（c-d）孔洞和圆柱的双耦合体。（e-f）硅在紫外波段的折射率和介电常数。

图2. 单个硅纳米结构的表面等离激元特性。

（a）单个孔洞的扫描电镜图。（b-c）对于不同孔洞直径的实验和模拟反射谱。（d）孔洞在共振时的电磁场分布。（e）单个硅圆柱的扫描电镜图。（f-g）对于不同硅圆柱直径的实验和模拟反射谱。（h）硅圆柱在共振时的电磁场分布。

图3.硅双耦合体纳米结构的表面等离激元特性。

（a）硅圆柱双耦合体的扫描电镜图。间距有15纳米，5纳米和相连。（b）x和y偏振下的实验反射谱。硅圆柱双耦合体在x偏振下有光学耦合。（c）硅圆柱双耦合体在5纳米间距的共振电磁场分布。（d）光场强度随着间距的变化。（e）硅孔洞双耦合体的扫描电镜图。（f）x和y偏振下的实验反射谱。硅孔洞双耦合体在y偏振下有光学耦合。（g）硅孔洞双耦合体在30纳米间距时的共振电磁场分布。