可調諧低損耗維InAs納米線的表面等離激元研究

Advanced Materials: 可調諧低損耗維InAs納米線的表面等離激元研究

    亞波長下光的調控與操縱對縮小光電器件的體積、能耗、集成度以及響應靈敏度有著重要意義。其中，外場驅動下由電子集體振蕩形成的表面等離激元能將光局域在納米尺度空間中，是實現亞波長光學傳播與調控的有效途徑之。然而，表面等離激元技術應用的關鍵目標是同時實現：①高的空間局域性，②低的傳播損耗，③具有可調控性。但是，由于金屬表面等離激元空間局域性較小，在長波段損耗較大且無法電學調控限制了其實用化。

    可喜的是：近期，由中科院物理所和北京大學組成的研究團隊報道了砷化銦（InAs）納米線作為種等離激元材料可同時滿足以上三個要求。作者用neaspec公司的近場光學顯微鏡（neaSNOM, s-SNOM）在納米尺度對砷化銦納米線表面等離激元進行近場成像并獲得其色散關系。通過改變納米線的直徑以及周圍介電環境，實現了對表面等離激元性質的調控，包括其波長、色散、局域因子以及傳波損耗等。作者發現InAs納米線表面等離激元展現出：①制備簡易，②高局域性，③低的傳波損耗，④具有可調控性，這為用于未來亞波長應用的新型等離子體電路提供了個新的選擇。該工作發表在高水平的Advanced Materials 雜志上。

圖1 neaspec超高分辨散射式近場光學顯微鏡neaSNOM

圖2 InAs納米線中表面等離激元的紅外近場成像研究

    a) s-SNOM實驗測量示意圖；b) InAs納米線的AFM形貌圖；c) InAs納米線的紅外（901 cm−1）近場光學成像；d) 相應的模擬結果；e) c和d相應區域的界面分析；f) InAs納米線的紅外（930 cm−1）近場光學成像；g) InAs納米線的紅外（950 cm−1）近場光學成像；h) InAs納米線的紅外（930 cm−1）近場光學成像。

    該研究小組通過neaspec公司的散射型近場光學顯微鏡（s-SNOM）配合901–985 cm−1可調諧中紅外QCL激光器，采用neaspec公司的偽外差近場成像技術的neaSNOM近場光學顯微鏡，對約為104 nm長的InAs納米線的表面等離激元進行了研究。從近場成像圖（圖2 c）中可以看出，在930 cm−1紅外光及AFM探針的激發下，表面產生的等離激元沿InAs維納米線傳播，并從納米線邊緣反射回來產生相應的駐波圖形。另外，可以通過定量分析表面等離激元傳播的相鄰的兩個節點（(λp/2）的空間距離來推斷表面等離激元傳播的波長（λp）。同時，作者也在不同的紅外波長下（930, 950, 和985 cm−1,圖2 f, g, h）對InAs納米線的表面等離激元進行了納米尺度近場光學成像研究，結果顯示出相似的駐波圖形。上述研究結果證實作者通過neaspec公司的散射型近場光學顯微鏡對InAs納米線的近場成像研究成功觀察到了InAs納米線中的維等離激元。

    該研究在通過s-SNOM紅外近場光學顯微鏡展示了在InAs納米線中等離激元的真實空間成像。作者的進步研究表明其等離激元的波長以及它的阻尼都可以通過改變InAs納米線的尺寸和選擇不同基底來調控。研究顯示半導體的InAs納米線具有應用于小型光學電路和集成設備的巨大潛力。作者的發現開辟了條設計與實現新型等離激元和納米光子設備的新途徑。同時，該研究也展示了neaspec公司的散射型近場光學顯微鏡在半導體維或二維材料納米光學研究中的廣闊應用前景。

    截止目前為止，以neaspec穩定的產品性能和服務為支撐，通過neaspec國內用戶不斷的努力，neaspec國內用戶2018年間發表了關于近場光學成像和光譜的文章共14篇：其中包括4 篇Advance Materials； Advance Functional Materials；Advance Science；Advanced Optical Materials和Nanoscale等。伴隨更多的研究者信賴和選擇neaspec近場和光譜相關產品， neaspec國內群的不斷的持續增加，我們堅信neaspec國內用戶將在2018年取得更加豐厚的研究成果。

參考文獻：
Tunable Low Loss 1D Surface Plasmons in InAs Nanowires，Yixi Zhou, Runkun Chen, Jingyun Wang, Yisheng Huang, Ming Li, Yingjie Xing, Jiahua Duan, Jianjun Chen, James D. Farrell, H. Q. Xu, Jianing Chen， Adv. Mater. 2018, 1802551