钠金属薄膜和等离激元光子器件研究获突破

 
 
钠金属薄膜和等离激元光子器件研究获打破  
 

5月27日，南京大学研究团队与北京大学、美国佐治亚理工学院等单元相助，在钠金属薄膜和等离激元光子器件研究方面取得了重要打破。他们操作金属钠所具有的低熔点特点，成长了奇特的液态金属旋涂工艺，制成金属钠薄膜，首次展现金属钠膜的优异光波段等离激元特性。研究成就颁发于《自然》。

外貌等离激是光与金属中自由电子彼此浸染形成的一种新型元引发，因其对光场具有亚波长标准的约束本领和打破衍射极限的传输特性,在微纳光子器件和光子集成、超判别成像等规模具有辽阔的应用前景。“然而由于等离激元引发有电子振荡参加，因而由焦耳热引起的损耗成了等离激元器件走向应用的瓶颈。”论文配合通讯作者、南京大学现代工程与应用科学学院传授朱嘉汇报《中国科学报》。

相对付银、金等贵金属而言，以钠为代表的碱金属传输特性更靠近抱负自由电子气模子，且带间跃迁损耗较小，因此被认为有大概具有更低的光学损耗。但由于金属钠生动的化学性质和严苛的制备条件，基于金属钠的等离激元器件的尝试摸索鲜有报道。

金属钠膜的制备是钠基等离激元器件是首先需要办理的问题，研究团队成长的液态金属旋涂工艺团结可控冷却技能，乐成得到了高质量的金属钠膜及等离激元布局。“理论计较和尝试功效表白，制备的钠薄膜的自由电子弛豫时间约为0.42 皮秒，品质因数-e1/e2在近红外波段有明明优越性。”论文配合通讯作者、南京大学现代工程与应用科学学院副传授周林暗示，碱金属薄膜制备工艺的打破为低损耗的等离激元光子器件的研发奠基了技能基本。

随后，研究团队对钠基外貌等离极化激元的传输特性举办了定量研究。尝试功效表白，在近红外波段（如1500纳米），外貌等离激元在钠—二氧化硅界面的流传长度可达200微米以上。另外，受益于奇特的色散特性，钠基等离激元波导具有更强的横向电磁场局域效应和更小的模式尺寸，其品质因数是金属银的两倍以上。

在此基本上，研究团队设计并制备了基于金属—绝缘体—半导体复合微纳布局的激光器件。尝试功效表白，将低损耗的钠基等离激元布局与高品质因子的InGaAsP量子阱布局相团结，可有效低落整个器件的欧姆损耗和辐射损耗，制备的钠基等离激元激光器的室温激射阈值约为140千瓦每平方厘米，缔造了同范例纳米激光器阈值新低。

值得一提的是，得益于有效的封装掩护，该激光器件在正常情况下6个月后仍然保持了精采的事情机能。同时，研究团队在高温和高湿情况下举办了钠基器件的加快老化尝试，证明白制备的钠基等离激元器件具有很是好的耐受本领。

论文配合通讯作者、中科院院士祝世宁汇报《中国科学报》，低损耗、高机能的钠基等离激元器件的展示向等离激元集成应用偏向迈出坚硬的一步。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-020-2306-9

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