物理所金属薄膜上的表面等离激元和Fano共振研究获进展

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表面等离激元（surface plasmon）是金属中自由电子的一种元激发，用来描述电子在外场激励下振荡的集体运动行为。由于基于表面等离激元的器件具有能够突破衍射极限、实现局域场增强和对介电环境敏感等性质，表面等离激元研究日益受到广泛重视并得到快速发展。近年来，中科院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）邱祥冈研究员领导的课题组在该领域取得了若干重要进展。

1、硅基外延银薄膜上的表面等离激元

影响基于表面等离激元的光学元器件实际应用的一个重要因素是其传播耗散。此前工作表明在可见光波段，金属薄膜表面的起伏对表面等离激元会造成极大散射，从而影响传播效率。随之而来的一个问题是，对于波长更长的红外波段，金属表面的粗糙度是否仍然是造成表面等离激元阻尼的重要机制。

为此，邱祥冈研究员和博士生李博宏、程飞与美国Texas大学Austin分校的施至刚教授以及Gennady Shvets教授合作，利用在大片硅基外延单晶银薄膜上制备的亚波长周期性孔阵列，通过角度依赖的反常光透射（extraordinary optical transmission）测量研究了这一问题。反常光透射是由于入射光在亚波长孔阵列上激发出了表面等离激元，辅助了电磁波从亚波长孔中的透过，从而导致透射率在某些特定波长处会出现增强。因此，通过分析反常光透射谱上透射峰的线型，就可以得到表面等离激元共振强弱的信息。用于测量的样品分别为生长于硅基片上的外延银薄膜和多晶银薄膜，膜厚为80纳米，并利用微加工手段在薄膜上制作出相同的二维亚波长圆孔方阵，周期为6微米，孔径为3微米。

比较发现，对于硅/银界面，两种薄膜上的表面等离激元的共振行为并没有显著的差别（图1d1,d2,f1,f2），因为对于这两种薄膜来说，其硅/银界面都非常平整；但是，对于空气/银界面，外延银薄膜上的表面等离激元表现出了更明显的共振行为（图1c2,e2），而多晶银薄膜上表面等离激元的共振特征相当之弱（图1c1,e1），这源于这两种薄膜的硅/银界面具有迥异的粗糙度。

利用有限元方法模拟的结果与外延银薄膜的实验数据相吻合，而外延银薄膜表面质量下降后的共振行为变得与多晶银薄膜类似，进一步验证了上述论断。另外，通过在空气/金属界面插入损耗层，模拟结果成功地重现了透射谱从外延金属薄膜的明显的共振行为到多晶薄膜的弱化的共振行为的转变（图2）。此结果表明在比可见光波长更长的红外波段，金属薄膜表面的粗糙度仍然是引起表面等离激元阻尼的重要机制。相关工作发表在Nano Letters, 12(12):6187–6191, 2012上。

此外，他们还与台湾“国立清华大学”的果尚志教授等人领导的研究小组合作，以硅基单晶银薄膜为基础，与InGaN@GaN核-壳结构的纳米线集成，研制出了目前世界上最小的半导体激光器。这种激光器具有泵浦阈值低和能够进行连续波泵浦的特点，外延银薄膜在其中起到了关键性作用，因为其没有晶界并且具有原子级的表面平整度，从而极大地降低了表面等离激元传播过程中所受到的阻尼。相关工作发表在Science, 337(6093):450–453, 2012上。

2、金属薄膜上亚波长孔阵列的Fano共振

表面等离激元导致的反常透射现象对应的透射峰通常表现为不对称的线型，称为Fano线型。对于金属薄膜上二维亚波长孔阵列的反常透射中的Fano共振，非共振通道对应于入射光从单个小孔中的通过，共振通道则与表面等离激元相关。Fano线型有两个重要的参数，分别是线宽和不对称参数。邱祥冈研究组的博士生李博宏、程飞和磁学实验室韩秀峰研究员领导的研究组合作，利用准周期结构的超元胞，设计了一系列的二维孔阵列，在不同的样品中实现了相同的非共振通道，从而通过改变超元胞的旋转对称性实现了对Fano线型的线宽的调制。相关工作发表在Applied Physics Letters, 101(3):031114, 2012上。

此外，该研究团队还设计了一套由两套子格子嵌套而成的复式孔阵列，通过改变两套子格子的孔径比，实现了对Fano线型的不对称参数的调制。相关工作发表在Applied Physics Letters, 100(13):131110, 2012上。这部分工作不但有助于深入理解反常透射现象中的Fano共振的物理机制，还有助于设计基于Fano线型调制工程的表面等离激元器件，例如生化传感器、光开关、滤波器等。