科技新闻 | 微纳光学研究前沿

1. 基于黑磷-石墨烯的表面等离激元共振传感

由于平面外很低的电导性，黑磷是提高生物传感灵敏性的一种很重要的材料。然而，黑磷很容易氧化，这限制了它在实际应用中的价值。发表在nanophotonics上的一篇来自深圳大学等单位的研究人员提出了一种基于黑磷-石墨烯的混合纳米结构^[1]，基于该结构的表面等离子共振传感器具有很高的灵敏性。黑磷与石墨烯的结合表现很强的抗氧化性以及很强的分子捕获能力，这两个性质分别提高了传感器件的稳定性与灵敏性。该传感器可以明显地区分1.33-1.78RIU范围的折射率，并且在1.33RIU传感目标附近可以达到148.2°/RIU的最大灵敏性，该研究成果对于生物和化学传感领域有重要的积极意义。

Fig. 1 传感器结构与基本传感机理示意，图片摘自文献[1]。 Fig. 2 不同折射率下共振峰的偏移（入射角度），图片摘自文献[1]。

2. 利用表面等离子体纳米天线实现超快、超强、方向性的自发辐射

点源（如量子点等）的无向性、低辐射效率等特点极大地限制了它们在如纳米二极管和片上单光子源等下一代纳米光电器件中应用。光学天线有望很好地解决目前这些困难。然而，单一的纳米天线很难同时解决这些问题（低衰减效率，无方向性，低量子效率等）。清华大学等机构的科研人员提出一种复合结构的纳米天线（银纳米立方放在金同心圆环结构的中心上方）^[2]。该天线可以使放在银纳米立方与金同心圆环结构中心上方间隙处的量子点保持很高的量子效率同时兼具较高的衰减速率以及很好的辐射方向性。利用数值孔径为0.5、0.12 的显微镜分别可以收集60%与21%的能量。相比于放在玻璃上的量子点，它的总的辐射能量以及衰减速率分别增强了121倍与424倍。模拟计算显示量子效率可以达到50%以上。这个新的光学天线可以改善各种类型的纳米发射器，同时发展高速的方向性辐射的纳米LED以及单光子源。

Fig. 3　天线结构及其扫描电镜图，图片摘自文献[2]。 Fig. 4　复合天线控制点源定向辐射，图片摘自文献[2] Fig. 5　复合天线耦合下的点源的衰减速率以及量子效率，图片摘自文献[2]。

3. 通过介质－等离子体复合纳米天线增强量子点的自发辐射

纳米光学天线可以有效地收集纳米尺度的电磁能量并且增调控局部的能量辐射到远场。介质－金属复合纳米天线可以克服全金属天线能量损耗的缺点，同时可以获得比全介质天线更大的局域态密度。 Nanophotonics上一篇题为“greatly amplified spontaneous emission of colloidal quantum dots mediated by a dielectric-plasmonic hybrid nanoantenna”的文章提出一种金属膜上硅纳米球天线^[3]，该天线可以很好地改善量子点的发光情况。相比于放置在玻璃上的量子点，通过该天线，量子点的辐射能量可以增加69倍，衰减速率可以提高42倍。模拟结果显示，量子效率可以达到80%以上，其中60%辐射到自由空间中，另外20%以表面等离激元的形式在表面传播。天线不仅通过介质材料克服了金属固有的损耗，而且通过控制合适的间隔削弱了由于淬灭带来的非辐射的能量衰减。而且文章通过米氏共振模式可以自由地调节源的远场辐射方向。

Fig. 6 天线结构示意图，图片摘自文献[3]。 Fig. 7 计算模拟电磁场增强，局域态密度增强，量子效率等，图片摘自文献[3]。 Fig. 8 辐射能量增强以及荧光寿命测量曲线，图片摘自文献[3]。

4. 控制金属光子晶体中的等离子体Fano共振

放置在波导层上周期性排布的纳米线可以提供等离子体与波导模式之间的强耦合。通过在波导层和金属结构之间加入分离层，可以减小耦合强度。文中^[4]，改变分离层的厚度，探究不同厚度下的耦合强度；通过拟合有效能量矩阵得到共振峰的位置。研究发现耦合强度可以很好地通过波导模式中的电场振幅强度来描述。该研究的模拟计算与实验结果吻合。研究人员实现了很小的模式分裂，大约为25meV。基于研究结论，研究人员设计了几种传感器，器件可以产生一个比较窄的共振峰，该结果对于传感有很大的应用。

Fig. 9 研究的结构示意，图片摘自文献[4]。 Fig. 10 不同分离层下的耦合强度，图片摘自文献[4]。 Fig. 11 分离层厚度对波导模式电场振幅以及耦合强度的影响，图片摘自文献[4]。 Fig. 12 设计的三种传感器结构，图片摘自文献[4] Fig. 13 传感器的性能，图片摘自文献[4]。

文中指出，分离层的厚度可以控制耦合强度，耦合强度与波导模式中x分量电场振幅成正比，更大的分离层厚度可以获得更窄的共振峰，这对于设计传感器件是很有益处的结果。

5. 单个金属粒子与单层WSe2之间的等离子体与激子之间的强耦合

表面等离激元与激子之间的强耦合形成一个新的能量态，这为前沿课题的探索提供了一个多功能的平台。单个等离子体纳米颗粒由于其很小的模式体积，在强耦合相关研究上很受关注。然而，通常是通过化学合成的方法合成纳米粒子，这样很难精确控制表面等离激元的共振，而且不利于片上集成。中科院物理所的研究人员首次实现了单层WSe2与光刻方式制作的单个纳米颗粒间的激子与等离子的强耦合^[5]。聚焦在纳米蝶形天线，获得187meV的大的拉比分裂。在蝶形天线纳米间隙中的激子对于耦合强度起主要作用。更小的蝶形天线有更大的拉比分裂是由于其具有更小的模式体积。此外，单层的WSe2与金纳米粒子，或单体的纳米棒，纳米三角，纳米原本之间的复合系统都满足强耦合的判据。通过前沿技术制作的单体纳米粒子与单层半导体之间的强耦合为在纳米级别控制光与物质之间的相互作用提供了一个新的机会。

Fig. 14 金纳米蝶形天线与单层WSe2之间的耦合方案以及不同结构下的能量谱，图片摘自文献[5]。 Fig. 15 Plasmon-exciton强耦合获得187meV的拉比分裂, 图片摘自文献[5]。

参考文献

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1. M. Su, X. Chen, L. Tang, B. Yang, H. Zou, J. Liu, Y. Li, S. Chen, and D. Fan, Nanophotonics 9, 4265 (2020). ↩

2. G. Yang, Q. Shen, Y. Niu, H. Wei, B. Bai, M. H. Mikkelsen, and H. B. Sun,Laser Photonics Rev 14 (2020). ↩

3. G. Yang, Y. Niu, H. Wei, B. Bai, and H.-B. Sun, Nanophotonics 8, 2313 (2019). ↩

4. C. Bauer and H. Giessen, Nanophotonics 9, 523 (2020). ↩

5. X. Yan and H. Wei, Nanoscale (2020). ↩