物理所金屬薄膜上的表面等離激元和Fano共振研究獲進展

　　表面等離激元(surface plasmon)是金屬中自由電子的一種元激發，用來描述電子在外場激勵下振蕩的集體運動行為。由于基于表面等離激元的器件具有能夠突破衍射極限、實現局域場增強和對介電環境敏感等性質，表面等離激元研究日益受到廣泛重視并得到快速發展。近年來，中科院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室(籌)邱祥岡研究員領導的課題組在該領域取得了若干重要進展。

　　1、硅基外延銀薄膜上的表面等離激元

　　影響基于表面等離激元的光學元器件實際應用的一個重要因素是其傳播耗散。此前工作表明在可見光波段，金屬薄膜表面的起伏對表面等離激元會造成極大散射，從而影響傳播效率。隨之而來的一個問題是，對于波長更長的紅外波段，金屬表面的粗糙度是否仍然是造成表面等離激元阻尼的重要機制。

　　為此，邱祥岡研究員和博士生李博宏、程飛與美國Texas大學Austin分校的施至剛教授以及Gennady Shvets教授合作，利用在大片硅基外延單晶銀薄膜上制備的亞波長周期性孔陣列，通過角度依賴的反常光透射(extraordinary optical transmission)測量研究了這一問題。反常光透射是由于入射光在亞波長孔陣列上激發出了表面等離激元，輔助了電磁波從亞波長孔中的透過，從而導致透射率在某些特定波長處會出現增強。因此，通過分析反常光透射譜上透射峰的線型，就可以得到表面等離激元共振強弱的信息。用于測量的樣品分別為生長于硅基片上的外延銀薄膜和多晶銀薄膜，膜厚為80納米，并利用微加工手段在薄膜上制作出相同的二維亞波長圓孔方陣，周期為6微米，孔徑為3微米。

　　比較發現，對于硅/銀界面，兩種薄膜上的表面等離激元的共振行為并沒有顯著的差別(圖1d1,d2,f1,f2)，因為對于這兩種薄膜來說，其硅 /銀界面都非常平整;但是，對于空氣/銀界面，外延銀薄膜上的表面等離激元表現出了更明顯的共振行為(圖1c2,e2)，而多晶銀薄膜上表面等離激元的共振特征相當之弱(圖1c1,e1)，這源于這兩種薄膜的硅/銀界面具有迥異的粗糙度。

　　利用有限元方法模擬的結果與外延銀薄膜的實驗數據相吻合，而外延銀薄膜表面質量下降后的共振行為變得與多晶銀薄膜類似，進一步驗證了上述論斷。另外，通過在空氣/金屬界面插入損耗層，模擬結果成功地重現了透射譜從外延金屬薄膜的明顯的共振行為到多晶薄膜的弱化的共振行為的轉變(圖2)。此結果表明在比可見光波長更長的紅外波段，金屬薄膜表面的粗糙度仍然是引起表面等離激元阻尼的重要機制。相關工作發表在Nano Letters, 12(12):6187–6191, 2012上。

　　此外，他們還與臺灣“國立清華大學”的果尚志教授等人領導的研究小組合作，以硅基單晶銀薄膜為基礎，與InGaN@GaN核-殼結構的納米線集成，研制出了目前世界上最小的半導體激光器。這種激光器具有泵浦閾值低和能夠進行連續波泵浦的特點，外延銀薄膜在其中起到了關鍵性作用，因為其沒有晶界并且具有原子級的表面平整度，從而極大地降低了表面等離激元傳播過程中所受到的阻尼。相關工作發表在Science, 337(6093):450–453, 2012上。

　　2、金屬薄膜上亞波長孔陣列的Fano共振

　　表面等離激元導致的反常透射現象對應的透射峰通常表現為不對稱的線型，稱為Fano線型。對于金屬薄膜上二維亞波長孔陣列的反常透射中的Fano共振，非共振通道對應于入射光從單個小孔中的通過，共振通道則與表面等離激元相關。Fano線型有兩個重要的參數，分別是線寬和不對稱參數。邱祥岡研究組的博士生李博宏、程飛和磁學實驗室韓秀峰研究員領導的研究組合作，利用準周期結構的超元胞，設計了一系列的二維孔陣列，在不同的樣品中實現了相同的非共振通道，從而通過改變超元胞的旋轉對稱性實現了對Fano線型的線寬的調制。相關工作發表在Applied Physics Letters, 101(3):031114, 2012上。

　　此外，該研究團隊還設計了一套由兩套子格子嵌套而成的復式孔陣列，通過改變兩套子格子的孔徑比，實現了對Fano線型的不對稱參數的調制。相關工作發表在Applied Physics Letters, 100(13):131110, 2012上。這部分工作不但有助于深入理解反常透射現象中的Fano共振的物理機制，還有助于設計基于Fano線型調制工程的表面等離激元器件，例如生化傳感器、光開關、濾波器等。

　　以上研究工作得到了科技部、國家自然科學基金委和中國科學院項目的資助。

　　圖1：銀薄膜上亞波長孔陣列的反常透射譜。(a1-a2)外延銀薄膜和多晶銀薄膜的原子力顯微鏡(AFM)測量結果。(b)角度依賴的透射譜的實驗配置示意圖。(c1-c3)中紅外波段的透射譜。(d1-d3)遠紅外波段的透射譜。(e1-e3)入射角為20度時，Air(1,0)模式附近的透射譜。(f1-f3)入射角為20度時，Si(1,0)模式附近的透射譜。除(b)外，上、中、下三行分別對應多晶銀薄膜、單晶銀薄膜和模擬結果。

圖2：插入損耗層后正入射透射譜的模擬結果。損耗因子分別為0(黑線)、0.1(紅線)和0.5(藍線)。