Nature子刊: 非周期性納米等離子激元學器件用于定向濾色和傳感

【引言】

利用光的波動性質，周期性結構的光學器件實現了眾多功能，例如光的過濾、譜學分析和倍增等。然而，非周期性光學結構的散射和界面現象背后卻隱藏著一些新奇甚至難以預測的物理學原理亟待闡釋。近年來，等離子激元體系(限制在金屬-介電界面的電磁波)在波長尺度實現了光的束縛和操縱，為周期性和非周期性光學器件的設計、制造提供了極大方便。然而，非周期性結構在光學器件中的廣泛應用仍然受制于全電磁場數值模擬中基于多維參數搜索的高強度計算優化。

【成果簡介】

近日，美國國家標準與技術研究所(NIST)Matthew S. Davis、Amit Agrawal和南京大學徐挺教授 (共同通訊作者)等人在Nat. Commun.發表了題為“Aperiodic nanoplasmonic devices for directional colour filtering and sensing”的研究論文，報道了非周期性納米等離子激元學器件在濾色及傳感方面的最新研究成果。研究團隊首先破除了結構周期性的限制，通過金屬銀的電子束蒸鍍在ITO(氧化銦錫)薄膜上制備了一種狹縫-溝槽型非周期性納米結構，從而同時增強了光學頻率下工作的無源等離子激元學器件的性能和功能。基于等離子激元-光相互作用的一級干涉模型，研究團隊計算了等離子激元學器件的導光性質，并提出了一條設計靈活的、多譜光學響應(周期性結構不具備的特性)器件的簡單、高效途徑，成功制備了超緊湊型的定向濾光器和顏色分類器，具有高對比度、低光譜或空間串擾的角度/光譜可協調光學響應。

【圖文導讀】

圖1 非周期性狹縫-溝槽器件的導光機理

(a)狹縫左邊有一條溝槽時的導光示意圖。溝槽處表面等離子激元(SPP)耦合過程用真實耦合系數β和相φ進行表征；

(b-c)分別為β、φ與溝槽寬度(w: 50–400 nm)和波長(λ₀: 450–750 nm)的關系；

(d)狹縫左邊有N條溝槽時的導光示意圖；

(e-f)相偏移φ^’和耦合系數減少幅度β^’與溝槽寬度(w: 50–400 nm)和波長(λ₀: 450–750 nm)的關系。

圖2 非周期性定向RGB濾色片

(a)具有角度選擇性的非周期性RGB濾色器的導光特征示意圖；

(b)器件的Ag-空氣界面的截面視圖；

(c)公式計算(實線)和FDTD模擬(虛線)得到的相對透射(Γ)光譜；

(d)非周期性狹縫-溝槽器件的SEM圖；

(e)實驗測得的Γ光譜。

圖3 非周期性狹縫-溝槽裝置進行光譜分離

圖4 非周期性同心圓型定向濾光片

(a)非周期性同心圓型結構的導光示意圖；

(b-c)方位角分別0(b)和90°(c)時，由界面模型(實線)計算和FDTD(虛線)模擬得到的Γ光譜；

(d)非周期性同心圓型器件的SEM圖；

(e-f)分別為與圖(b)、(c)相對應的實測Γ譜。

圖5 線寬優化和折射率傳感

(a)界面模型(虛線)計算和全場FDTD模擬(實線)經線寬優化的狹縫-溝槽非周期性結構的光譜響應；

(b)經優化器件的SEM圖；

(c)光譜響應與Al₂O₃層厚度(0~9nm)的關系；

(d)譜峰偏移(Δλ)與折射系數變化(Δn)的關系。

【小結】

本文在打破光學器件結構周期性的基礎上，通過電子束刻蝕和電子束蒸鍍的方法成功制備了一種非周期性結構的納米等離子激元學器件，并根據一級干涉模型計算了其導光性質，實現了光的定向濾色和折射率傳感等功能。非周期性納米結構具有可裁剪的光譜/角度光學響應，在太陽能捕獲、光信號倍增和集成傳感器等領域具有潛在的應用。

【通訊作者簡介】

徐挺，博士、教授，青年千人計劃入選者，現任職于南京大學現代工程與應用科學學院量子電子學與光學工程系，其研究方向主要包括光頻段的人工超材料、表面等離子體納米光學器件以及微納米加工技術。作為主要完成人，至今在國際知名學術刊物包括Nature、Nature Communications、Science Advances、Advanced Materials、ACS Nano等上發表過重要論文30余篇(其中4篇論文被ESI選為前1%高被引論文)，其中多項工作被選為研究亮點被包括Nature Photonics、 Nature Physics、BBC News、Materials Today、MIT Technology Review、Science Daily、 Laser Focus World等科研媒體加以報道。

文獻鏈接：Aperiodic nanoplasmonic devices for directional colour filtering and sensing (Nat. Commun., 2017，DOI:?10.1038/s41467-017-01268-y)

感謝徐挺教授對本文的斧正及材料人編輯部的指導！

本文由材料人編輯部納米學術組Roay供稿，材料牛編輯整理。

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