據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，南京大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)與北京大學(xué)、美國佐治亞理工學(xué)院等單位合作，在鈉金屬薄膜和等離激元光子器件研究方面取得了重要突破。他們利用金屬鈉所具有的低熔點(diǎn)特點(diǎn)，發(fā)展了獨(dú)特的液態(tài)金屬旋涂工藝制成金屬鈉薄膜，首次揭示金屬鈉膜的優(yōu)異光波段等離激元特性。研究成果發(fā)表于《自然》，論文鏈接為：https://doi.org/10.1038/s41586-020-2306-9。

表面等離激元是光與金屬中自由電子相互作用形成的一種新型元激發(fā)，因其對光場具有亞波長尺度的約束能力和突破衍射極限的傳輸特性，在微納光子器件和光子集成、超分辨成像等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。“然而由于等離激元激發(fā)有電子振蕩參與，因而由焦耳熱引起的損耗成了等離激元器件走向應(yīng)用的瓶頸。”論文共同通訊作者、南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院教授朱嘉解釋道。

熱輔助自旋涂覆工藝制備的鈉膜

相對于銀、金等貴金屬而言，以鈉為代表的堿金屬傳輸特性更接近理想自由電子氣模型，且?guī)чg躍遷損耗較小，因此被認(rèn)為有可能具有更低的光學(xué)損耗。但由于金屬鈉活潑的化學(xué)性質(zhì)和嚴(yán)苛的制備條件，基于金屬鈉的等離激元器件的實(shí)驗(yàn)探索鮮有報(bào)道。

金屬鈉膜的制備是鈉基等離激元器件首先需要解決的問題，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展的液態(tài)金屬旋涂工藝結(jié)合可控冷卻技術(shù)，成功獲得了高質(zhì)量金屬鈉膜及等離激元結(jié)構(gòu)。“理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，制備的鈉薄膜的自由電子弛豫時(shí)間約為0.42皮秒，品質(zhì)因數(shù)-e1/e2在近紅外波段有明顯優(yōu)越性。”論文共同通訊作者、南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院副教授周林表示，堿金屬薄膜制備工藝的突破為低損耗的等離激元光子器件研發(fā)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

隨后，研究團(tuán)隊(duì)對鈉基表面等離極化激元的傳輸特性進(jìn)行了定量研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在近紅外波段（如1500納米）表面等離激元在鈉-二氧化硅界面的傳播長度可達(dá)200微米以上。此外，受益于獨(dú)特的色散特性，鈉基等離激元波導(dǎo)具有更強(qiáng)的橫向電磁場局域效應(yīng)和更小的模式尺寸，其品質(zhì)因數(shù)是金屬銀的兩倍以上。

室溫鈉基等離子體納米激光器

在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制備了基于金屬-絕緣體-半導(dǎo)體復(fù)合微納結(jié)構(gòu)的激光器件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，將低損耗的鈉基等離激元結(jié)構(gòu)與高品質(zhì)因子的InGaAsP量子阱結(jié)構(gòu)相結(jié)合，可有效降低整個(gè)器件的歐姆損耗和輻射損耗，制備的鈉基等離激元激光器的室溫激射閾值約為140千瓦每平方厘米，創(chuàng)造了同類型納米激光器閾值新低。

值得一提的是，得益于有效的封裝保護(hù)，該激光器件在正常環(huán)境下6個(gè)月后仍然保持了良好的工作性能。同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)在高溫和高濕環(huán)境下進(jìn)行了鈉基器件的加速老化實(shí)驗(yàn)，證明了制備的鈉基等離激元器件具有非常好的耐受能力。

論文共同通訊作者、中科院院士祝世寧認(rèn)為，低損耗、高性能的鈉基等離激元器件的展示向等離激元集成應(yīng)用方向邁出堅(jiān)實(shí)的一步。
責(zé)任編輯:pj