贵金属纳米结构表面等离激元研究获系列进展

　　近期，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所副研究员张俊喜与中国科学技术大学光学与光学工程系、英国Aston大学光子技术研究所(AIPT)、澳大利亚国立大学非线性物理中心等单位科研人员合作，在贵金属纳米结构表面等离激元研究中取得系列进展。

　　实现光与物质之间强的相互作用在设计光子器件上有重要意义，构筑共振腔体是实现光与物质强相互作用的重要途径。传统介电共振腔体有高的品质因子，但模式体积大，要减小其物理尺寸到亚波长受到光衍射极限限制。相比之下，表面等离激元共振腔能突破光衍射极限，能在亚波长和纳米尺度上实现对光子的操纵，因而它将在光源、传感和表面增强光谱等方面有重要的应用前景。当前影响表面等离激元共振腔性能的瓶颈是损耗大，如何控制表面等离激元模式和耦合界面是突破这一瓶颈的关键。

　　张俊喜等在表面等离激元共振腔模式方面取得新的突破，在金纳米管阵列超材料腔体中发现了一种表面等离激元新的杂化模式。发展氧化铝模板电沉积技术控制制备金纳米管阵列超材料，通过控制纳米管长度实现对表面等离激元谐波模式数量和谐波阶(奇数和偶数阶)以及不同阶谐波模式峰位的调控。采用时域有限差分法(FDTD)模拟发现金纳米管管壁表面不同阶谐波模式光场呈驻波形式，由此可以作为表面等离激元共振腔。第一次在这种纳米管阵列中发现横向模式和纵向模式耦合产生的表面等离激元T-L杂化模式和异常光透射(EOT)耦合增强现象。这种新型的表面等离激元共振腔及其杂化模式有望用于设计高性能的纳米光子器件。该工作发表在《先进光学材料》（Advanced Optical Materials 5 (4), 1600731 (2017)）上。

　　同时基于银纳米棒阵列超材料设计了一种周期性耦合界面全开放形式的表面等离激元共振腔。发现纳米棒周期性界面显示强的表面等离激元腔模式，它是由纳米棒之间的表面等离激元近场耦合效应引起的。发现纳米棒阵列全开放腔体与金膜基底之间存在一种新的表面等离激元耦合模，随腔体与基底之间间隙增加，耦合模共振峰位发生蓝移、能量从腔体向基底发生转移。这种全开放形式的表面等离激元纳米共振腔便于转移到其它基底上，这为设计纳米光子器件及其应用提供原理和材料支持。该工作发表在《纳米技术》（Nanotechnology 27 (41), 415708 (2016)）上。

图1. 发表论文被选为卷首插画

图2. (a) 金纳米管阵列超材料SEM照片，(b) 金纳米管阵列超材料三阶谐波模式及光场分布，(c) 不同管壁厚度(17 nm，10 nm和5 nm)金纳米管阵列表面等离激元共振腔的反射光谱，(d) T-L杂化表面等离激元模式随管壁厚度的光场分布及异常光透射(EOT)耦合增强现象

图3. (a) 银纳米棒阵列超材料SEM照片和示意图，(b) 不同长度银纳米棒阵列超材料表面等离激元不同阶共振模式反射光谱，(c) 相同长度银纳米棒超材料的表面等离激元不同阶腔模式光场分布，(d) 银纳米棒阵列共振腔与金属膜基底之间间隙引起的耦合模光场分布