矽是自然界含量最豐富的元素之一，由於其半導體特性以及納米集成電路製程的發達，矽也是目前中國乃至於全世界電子工業中應用最廣泛的元素。在矽電子學領域中，關鍵是做出具有非線性、能夠用電控制電的組件，例如電晶體。同樣的，用光控制光的組件，或者說全光學控制組件，也是矽光子學領域中的關鍵。但是矽晶體本身的光學非線性效應實在太小，不足以作為有效的全光學控制應用。一般來說，為了產生足夠的光學非線性，需要增加光與矽晶體的交互作用長度，但這也損害了其器件的可集成性。
近日，臺灣大學朱士維教授在提升納米矽的光學非線性取得重大進展，相關論文發表在Nature Communications。此研究結合日本大阪大學光子學中心Junichi Takahara、Katsumasa Fujita，與臺灣中研院物理所林宮玄博士、臺灣大學凝態中心張之威博士、臺灣交通大學陳國平教授等共同合作。其突破關鍵在於應用矽的高折射率特性，可在納米尺度上作為全電介質天線，產生多種電磁共振模式，大幅增強光與矽的交互作用。再加上光致熱效應，以及降低周圍介質的熱傳導係數，可以使矽納米結構的溫度快速上升。因此造成折射率改變，回過頭來影響其共振模式，造成矽納米結構的散射光強度產生巨大的改變。其等效光學非線性效應，和原本的矽比起來提升了大約五個數量級之多。
基於這樣巨大的非線性效應，研究團隊實現了在個別矽納米粒子以光控制光的應用，能夠將散射光做將近100%的調製。更特別的是，一般來說光致熱效應的反應時間相當慢。但是該團隊發現，在納米尺度下熱傳導時間可以大幅降低，達到納秒等級，因此可以實現GHz超快納米全光學開關。
圖1. 在多種不同大小組合的矽納米結構上，都能產生巨大的光熱非線性效應。其現象具體來說，如中央圖所示，在增加激發光源強度 (Exc.) 時，納米結構的散射光 (Sca.) 的改變並非遵循線性，會產生超線性或是亞線性的各種可能性。這樣的非線性可以用來實現如右圖所示的全光學開關，也就是用橘色的調製光 (modulation)，大幅改變綠色光的散射輸出強度 (output)。
在應用面向，除了全光學開關之外，近年來光學領域的重大進展之一是超解析顯微技術的發展，曾獲得2014諾貝爾化學獎的表彰。但是傳統的超解析技術依賴螢光分子的非線性特性，一般來說無法直接應用到材料研究上。該團隊在此研究中更進一步，創新地應用矽納米結構的巨大非線性效應，實現以散射光為對比，不需螢光染色且解析度能夠大幅提升的遠場光學超解析顯微影像。
此外，值得一提的是，這樣的光熱非線性與全光學調控概念可以推廣到其他形貌的矽結構。例如矽納米圓盤可以產生一種吸收特別強且不發光的共振模態，稱為anapole。朱士維教授與暨南大學光子技術研究院李向平教授和張天悅副研究員共同合作，發現具有anapole的結構不僅可以進一步加強光學非線性效應，更可以做出精度高達40納米的遠場光學超解析顯微影像。近期也發表在Nature Communications 上（Nat. Commun., 2020, 11, 3027）。作者相信同樣的光熱非線性概念未來也可以應用在其他和半導體工藝兼容的高折射率電介質材料，為現有的矽基光子學和光電組件的設計應用提供一個全新的思考方向。
原文（掃描或長按二維碼，識別後直達原文頁面）：Giant photothermal nonlinearity in a single silicon nanostructureYi-Shiou Duh, Yusuke Nagasaki, Yu-Lung Tang, Pang-Han Wu, Hao-Yu Cheng, Te-Hsin Yen, Hou-Xian Ding, Kentaro Nishida, Ikuto Hotta, Jhen-Hong Yang, Yu-Ping Lo, Kuo-Ping Chen, Katsumasa Fujita, Chih-Wei Chang, Kung-Hsuan Lin, Junichi Takahara, Shi-Wei Chu Nat. Commun., 2020, 11, 4101, DOI: 10.1038/s41467-020-17846-6
來源：X一MOL資訊