鈉金屬薄膜和等離激元光子器件研究獲突破

南京大學(xué)研究團隊與北京大學(xué)、美國佐治亞理工學(xué)院等單位合作，在鈉金屬薄膜和等離激元光子器件研究方面取得了重要突破。他們利用金屬鈉所具有的低熔點特點，發(fā)展了獨特的液態(tài)金屬旋涂工藝，制成金屬鈉薄膜，首次揭示金屬鈉膜的優(yōu)異光波段等離激元特性。

表面等離激是光與金屬中自由電子相互作用形成的一種新型元激發(fā)，因其對光場具有亞波長尺度的約束能力和突破衍射極限的傳輸特性，在微納光子器件和光子集成、超分辨成像等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而由于等離激元激發(fā)有電子振蕩參與，因而由焦耳熱引起的損耗成了等離激元器件走向應(yīng)用的瓶頸。相對于銀、金等貴金屬而言，以鈉為代表的堿金屬傳輸特性更接近理想自由電子氣模型，且?guī)чg躍遷損耗較小，因此被認為有可能具有更低的光學(xué)損耗。但由于金屬鈉活潑的化學(xué)性質(zhì)和嚴(yán)苛的制備條件，基于金屬鈉的等離激元器件的實驗探索鮮有報道。

金屬鈉膜的制備是鈉基等離激元器件是首先需要解決的問題，研究團隊發(fā)展的液態(tài)金屬旋涂工藝結(jié)合可控冷卻技術(shù)，成功獲得了高質(zhì)量的金屬鈉膜及等離激元結(jié)構(gòu)。理論計算和實驗結(jié)果表明，制備的鈉薄膜的自由電子弛豫時間約為0.42 ps，品質(zhì)因數(shù)-e1/e2在近紅外波段有明顯優(yōu)越性。

隨后，研究團隊對鈉基表面等離極化激元的傳輸特性進行了定量研究。實驗結(jié)果表明，在近紅外波段(如1 500 nm)，表面等離激元在鈉-二氧化硅界面的傳播長度可達200 nm以上。此外，受益于獨特的色散特性，鈉基等離激元波導(dǎo)具有更強的橫向電磁場局域效應(yīng)和更小的模式尺寸，其品質(zhì)因數(shù)是金屬銀的2倍以上。

在此基礎(chǔ)上，研究團隊設(shè)計并制備了基于金屬-絕緣體-半導(dǎo)體復(fù)合微納結(jié)構(gòu)的激光器件。實驗結(jié)果表明，將低損耗的鈉基等離激元結(jié)構(gòu)與高品質(zhì)因子的InGaAsP量子阱結(jié)構(gòu)相結(jié)合，可有效降低整個器件的歐姆損耗和輻射損耗，制備的鈉基等離激元激光器的室溫激射閾值約為140 kW/cm2，創(chuàng)造了同類型納米激光器閾值新低。

研究團隊在高溫和高濕環(huán)境下進行了鈉基器件的加速老化實驗，證明了制備的鈉基等離激元器件具有非常好的耐受能力。

(來源：中國科學(xué)報)