Nature子刊: 非周期性纳米等离子激元学器件用于定向滤色和传感

【引言】

利用光的波动性质，周期性结构的光学器件实现了众多功能，例如光的过滤、谱学分析和倍增等。然而，非周期性光学结构的散射和界面现象背后却隐藏着一些新奇甚至难以预测的物理学原理亟待阐释。近年来，等离子激元体系(限制在金属-介电界面的电磁波)在波长尺度实现了光的束缚和操纵，为周期性和非周期性光学器件的设计、制造提供了极大方便。然而，非周期性结构在光学器件中的广泛应用仍然受制于全电磁场数值模拟中基于多维参数搜索的高强度计算优化。

【成果简介】

近日，美国国家标准与技术研究所(NIST)Matthew S. Davis、Amit Agrawal和南京大学徐挺教授 (共同通讯作者)等人在Nat. Commun.发表了题为“Aperiodic nanoplasmonic devices for directional colour filtering and sensing”的研究论文，报道了非周期性纳米等离子激元学器件在滤色及传感方面的最新研究成果。研究团队首先破除了结构周期性的限制，通过金属银的电子束蒸镀在ITO(氧化铟锡)薄膜上制备了一种狭缝-沟槽型非周期性纳米结构，从而同时增强了光学频率下工作的无源等离子激元学器件的性能和功能。基于等离子激元-光相互作用的一级干涉模型，研究团队计算了等离子激元学器件的导光性质，并提出了一条设计灵活的、多谱光学响应(周期性结构不具备的特性)器件的简单、高效途径，成功制备了超紧凑型的定向滤光器和颜色分类器，具有高对比度、低光谱或空间串扰的角度/光谱可协调光学响应。

【图文导读】

图1 非周期性狭缝-沟槽器件的导光机理

(a)狭缝左边有一条沟槽时的导光示意图。沟槽处表面等离子激元(SPP)耦合过程用真实耦合系数β和相φ进行表征；

(b-c)分别为β、φ与沟槽宽度(w: 50–400 nm)和波长(λ₀: 450–750 nm)的关系；

(d)狭缝左边有N条沟槽时的导光示意图；

(e-f)相偏移φ^’和耦合系数减少幅度β^’与沟槽宽度(w: 50–400 nm)和波长(λ₀: 450–750 nm)的关系。

图2 非周期性定向RGB滤色片

(a)具有角度选择性的非周期性RGB滤色器的导光特征示意图；

(b)器件的Ag-空气界面的截面视图；

(c)公式计算(实线)和FDTD模拟(虚线)得到的相对透射(Γ)光谱；

(d)非周期性狭缝-沟槽器件的SEM图；

(e)实验测得的Γ光谱。

图3 非周期性狭缝-沟槽装置进行光谱分离

图4 非周期性同心圆型定向滤光片

(a)非周期性同心圆型结构的导光示意图；

(b-c)方位角分别0(b)和90°(c)时，由界面模型(实线)计算和FDTD(虚线)模拟得到的Γ光谱；

(d)非周期性同心圆型器件的SEM图；

(e-f)分别为与图(b)、(c)相对应的实测Γ谱。

图5 线宽优化和折射率传感

(a)界面模型(虚线)计算和全场FDTD模拟(实线)经线宽优化的狭缝-沟槽非周期性结构的光谱响应；

(b)经优化器件的SEM图；

(c)光谱响应与Al₂O₃层厚度(0~9nm)的关系；

(d)谱峰偏移(Δλ)与折射系数变化(Δn)的关系。

【小结】

本文在打破光学器件结构周期性的基础上，通过电子束刻蚀和电子束蒸镀的方法成功制备了一种非周期性结构的纳米等离子激元学器件，并根据一级干涉模型计算了其导光性质，实现了光的定向滤色和折射率传感等功能。非周期性纳米结构具有可裁剪的光谱/角度光学响应，在太阳能捕获、光信号倍增和集成传感器等领域具有潜在的应用。

【通讯作者简介】

徐挺，博士、教授，青年千人计划入选者，现任职于南京大学现代工程与应用科学学院量子电子学与光学工程系，其研究方向主要包括光频段的人工超材料、表面等离子体纳米光学器件以及微纳米加工技术。作为主要完成人，至今在国际知名学术刊物包括Nature、Nature Communications、Science Advances、Advanced Materials、ACS Nano等上发表过重要论文30余篇(其中4篇论文被ESI选为前1%高被引论文)，其中多项工作被选为研究亮点被包括Nature Photonics、 Nature Physics、BBC News、Materials Today、MIT Technology Review、Science Daily、 Laser Focus World等科研媒体加以报道。

文献链接：Aperiodic nanoplasmonic devices for directional colour filtering and sensing (Nat. Commun., 2017，DOI: 10.1038/s41467-017-01268-y)

感谢徐挺教授对本文的斧正及材料人编辑部的指导！

本文由材料人编辑部纳米学术组Roay供稿，材料牛编辑整理。

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