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陈学文教授团队在纳米光学领域取得突破性进展
来源:[1]https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.217401 | 作者:隽思半导体设备部 | 发布时间: 2022-05-31 | 215 次浏览 | 分享到:

金属纳米结构支撑表面等离激元,可以打破传统光学的衍射极限从而允许高密度集成,同时金属导体具备优良的电学功能,因此可基于CMOS工艺将纳米尺度的光学功能器件与微电子器件复合集成在同一芯片。金属结构的光电复合微纳集成,引导人们提出这样的问题:能否实现电学直接调制金属微纳结构的光学响应?直接电学调制金属结构光学响应具有诱人的前景,包括可望实现具有超快响应和极小尺寸的电光调制器。然而,这种美好愿景却面临着原理上的巨大挑战。


由于金属导体拥有极高的自由电子密度,三维结构包含数量庞大的自由电子——电子海洋,使得电学调控导致的表面效应根本无法撼动「电子海洋」的光学响应。


创新研究


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图1:三维金属等离激元和光场的直接电调制原理示意图


为了解决直接电学调制金属等离激元光学响应的难题,陈学文教授团队创造性地提出了「纳米电子库」(nanoscopicelectronreservoir,NER)的概念,用于对三维金属结构等离激元和光学性质进行有效的直接电调制。


工作原理如图1所示,图1(a)中主体是一个金属纳米二聚体,尺寸为百纳米量级,因此构成一个光学天线,用于增强光学远场响应。在天线上面部分的底端存在几到十几纳米尺度的精细结构,即所述电调制机制的核心部分——「纳米电子库」NER,它可以支持高度局域的等离激元本征模式,典型的模场分布如图1(b)所示。


在模场如此局域的NER中,自由电子将表现出显著的非经典效应,包括非局域性、电子溢出和朗道阻尼等。这些效应通常被认为有损于等离激元器件的性能。但是,与主流认知相反,在这项工作中,这些非经典效应构成了超快、高能量效率等离激元直接电调制的底层物理机制。


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图2:3D金属配置中的电浆调谐


等离激元模式的性质(如本征频率)主要取决于模场集中区域的自由电子密度分布,而电子密度分布可以通过施加静电场、低频(与光学频率相比)电场或偏置电压予以控制。NER就像在光学天线金属结构的「电子海洋」边上筑起的「纳米尺度电子小水库」,只需施加较小的扰动就足以对「小水库」造成显著影响。如图1(c)所示,在外加电信号作用下NER的基态电子密度分布确实发生了显著改变,并且空间上与等离激元模场分布高度重合。


经过基于时域密度泛函理论、量子流体力学模型、准正规模理论等方法的精确计算和设计,陈学文教授团队优化材料组合和几何结构,提出了一种电光直接调制装置,针对950纳米波长的远场入射光,在±2伏偏置电压作用下,散射截面的相对改变量可达到150%。


提出的电光调制方案具有几个重要特性:


(1)超快的调制速度,大约10~20飞秒; 


(2)超低能耗。根据简单估算,单次调制操作的能耗低于100阿焦;


(3)具有普适性。适用于多种金属/介质材料组合以及不同几何形状的天线和NER结构,能够覆盖从可见光至近红外的波长范围。