等離激元是一種能夠使光突破光學衍射極限的傳輸特性，因此可能在諸如光子器件、光學隱身，生化傳感和超解析度成像等應用中具有優勢。然而，等離激元器件的能力總是伴隨著由焦耳熱引起的損耗，這嚴重降低了它們的性能。因此，人們一直在尋找比貴金屬損耗低的等離激元的材料（具有電子集體振蕩）。
近日，南京大學朱嘉教授、周林教授、祝世寧教授與北京大學馬仁敏教授（共同通訊作者）提出了一種穩定的鈉基等離激元光子器件，其在近紅外波長下具有最先進的性能。具體來講，使用熱輔助旋塗工藝製備了電子弛豫時間為0.42皮秒的高質量鈉膜。通過實驗表明，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。同時進一步證明了室溫鈉基通訊波段雷射器，其激射閾值為每平方釐米140千瓦，低於先前報導的在近紅外波長的等離激元納米雷射器的值。這些鈉基等離激元器件在用環氧樹脂包裝後的幾個月內在環境條件下顯示出穩定的性能。相關論文以題為「Stable, high-performance sodium-based plasmonic devices in the near infrared」於2020年5月27日發表在Nature上。
論文連結
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2306-9
在等離激元材料中，貴金屬，尤其是銀和金，由於其相對較低的損耗而成為最常用的金屬。然而，這兩種金屬的光學損耗在商業上仍然是不可接受的，並且一直是等離激元廣泛應用的主要限制因素。因此，出現了低損耗的替代品的持久探索，例如晶體金屬，金屬間化合物，金屬合金，氮化物和氧化物。這些替代的選擇中，鹼金屬，如鈉，很早就被認為是理想的等離激元的材料，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。儘管鈉已被預測為理想等離激元材料已有多年，但作為等離材料的鈉的實驗探索一直是有限的，除了早期測量其光學常數和證明在晶體基質中沉澱的鹼金屬納米粒子中的局域等離子體共振外。由於其較高的化學反應活性，使用常規的金屬沉積技術（如物理沉積）製備鈉基結構一直具有挑戰性。
在本文中，作者通過利用鈉金屬具有的低熔點，開發了一種用於製造鈉膜的熱輔助旋塗工藝，同時具有高效和低成本的優勢，如圖1a所示。將鈉金屬加熱至160°C，形成液滴，隨後在退火過程中，雜質向表面擴散，然後可以將其剝離以純化鈉滴。然後將純化的具有發光外觀的鈉滴旋塗到超光滑的石英基板上。一旦鈉滴接觸到旋轉石英的表面，就會形成超光滑的鈉膜，這歸因於旋轉石英的強大離心力和快速凝固。整個過程在惰性氣氛的手套箱內進行。此外，X射線衍射圖（XRD）表明，所產生的鈉膜為多晶材料。
圖1.熱輔助旋塗法製備金屬鈉等離激元薄膜
圖2.鈉膜和鈉基等離激元光波導的介電函數
圖3.室溫鈉基等離激元納米雷射
圖4.鈉基等離激元納米雷射器雷射分析
總而言之，作者證明了一種製造高質量鈉膜的方法。已經實現了鈉基等離激元波導和納米雷射，並通過與已報告的基於貴金屬的器件進行系統比較，驗證了其高性能。此外，作者還證明了鈉基等離激元器件可以在幾個月內穩定運行。本文的結果為低損耗的等離激元材料提供了另一種途徑。鈉基等離子設備的便捷製造工藝和最新性能為先進的等離子應用提供了機會。（文：Caspar）
本文來自微信公眾號「材料科學與工程」。歡迎轉載請聯繫，未經許可謝絕轉載至其他網站。