2020-05-30 04:16 來源：澎湃新聞·澎湃號·政務
昨日小南推文
探索·收穫！現代工學院李濤研究組在超透鏡成像獲得重要進展：密集波導陣列實現亞波長自成像
5月27日，南京大學研究團隊與北京大學、美國喬治亞理工學院等單位合作，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，發展了獨特的液態金屬旋塗工藝，製成金屬鈉薄膜，首次揭示金屬鈉膜的優異光波段等離激元特性。研究成果發表於《自然》。
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，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、超分辨成像等領域具有廣闊的應用前景。「然而由於等離激元激發有電子振蕩參與，因而由焦耳熱引起的損耗成了等離激元器件走向應用的瓶頸。」論文共同通訊作者、南京大學現代工程與應用科學學院教授朱嘉告訴《中國科學報》。
相對於銀、金等貴金屬而言，以鈉為代表的鹼金屬傳輸特性更接近理想自由電子氣模型，且帶間躍遷損耗較小，因此被認為有可能具有更低的光學損耗。但由於金屬鈉活潑的化學性質和嚴苛的製備條件，基於金屬鈉的等離激元器件的實驗探索鮮有報導。
金屬鈉膜的製備是鈉基等離激元器件是首先需要解決的問題，研究團隊發展的液態金屬旋塗工藝結合可控冷卻技術，成功獲得了高質量的金屬鈉膜及等離激元結構。「理論計算和實驗結果表明，製備的鈉薄膜的自由電子弛豫時間約為0.42 皮秒，品質因數-e1/e2在近紅外波段有明顯優越性。」論文共同通訊作者、南京大學現代工程與應用科學學院副教授周林表示，鹼金屬薄膜製備工藝的突破為低損耗的等離激元光子器件的研發奠定了技術基礎。
隨後，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。實驗結果表明，在近紅外波段（如1500納米），表面等離激元在鈉—二氧化矽界面的傳播長度可達200微米以上。此外，受益於獨特的色散特性，鈉基等離激元波導具有更強的橫向電磁場局域效應和更小的模式尺寸，其品質因數是金屬銀的兩倍以上。
在此基礎上，研究團隊設計並製備了基於金屬—絕緣體—半導體複合微納結構的雷射器件。實驗結果表明，將低損耗的鈉基等離激元結構與高品質因子的InGaAsP量子阱結構相結合，可有效降低整個器件的歐姆損耗和輻射損耗，製備的鈉基等離激元雷射器的室溫激射閾值約為140千瓦每平方釐米，創造了同類型納米雷射器閾值新低。
值得一提的是，得益於有效的封裝保護，該雷射器件在正常環境下6個月後仍然保持了良好的工作性能。同時，研究團隊在高溫和高溼環境下進行了鈉基器件的加速老化實驗，證明了製備的鈉基等離激元器件具有非常好的耐受能力。
論文共同通訊作者、中科院院士祝世寧告訴《中國科學報》，低損耗、高性能的鈉基等離激元器件的展示向等離激元集成應用方向邁出堅實的一步。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-020-2306-9
來源：中國科學報、科技處、新聞中心、現代工程與應用科學學院
原標題：《探索 · 收穫！《中國科學報》：南京大學團隊在鈉金屬薄膜和等離激元光子器件研究獲突破》
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