1. 基于黑磷-石墨烯的表面等離激元共振傳感

由于平面外很低的電導(dǎo)性站故，黑磷是提高生物傳感靈敏性的一種很重要的材料屯阀。然而宪巨，黑磷很容易氧化降狠，這限制了它在實(shí)際應(yīng)用中的價(jià)值对竣。發(fā)表在nanophotonics上的一篇來(lái)自深圳大學(xué)等單位的研究人員提出了一種基于黑磷-石墨烯的混合納米結(jié)構(gòu)^[1]庇楞，基于該結(jié)構(gòu)的表面等離子共振傳感器具有很高的靈敏性。黑磷與石墨烯的結(jié)合表現(xiàn)很強(qiáng)的抗氧化性以及很強(qiáng)的分子捕獲能力否纬，這兩個(gè)性質(zhì)分別提高了傳感器件的穩(wěn)定性與靈敏性吕晌。該傳感器可以明顯地區(qū)分1.33-1.78RIU范圍的折射率，并且在1.33RIU傳感目標(biāo)附近可以達(dá)到148.2°/RIU的最大靈敏性临燃，該研究成果對(duì)于生物和化學(xué)傳感領(lǐng)域有重要的積極意義睛驳。

Fig. 1 傳感器結(jié)構(gòu)與基本傳感機(jī)理示意，圖片摘自文獻(xiàn)[1]膜廊。

Fig. 2 不同折射率下共振峰的偏移（入射角度）乏沸，圖片摘自文獻(xiàn)[1]。

2. 利用表面等離子體納米天線實(shí)現(xiàn)超快爪瓜、超強(qiáng)蹬跃、方向性的自發(fā)輻射

點(diǎn)源（如量子點(diǎn)等）的無(wú)向性、低輻射效率等特點(diǎn)極大地限制了它們?cè)谌缂{米二極管和片上單光子源等下一代納米光電器件中應(yīng)用铆铆。光學(xué)天線有望很好地解決目前這些困難蝶缀。然而，單一的納米天線很難同時(shí)解決這些問(wèn)題（低衰減效率薄货，無(wú)方向性翁都，低量子效率等）。清華大學(xué)等機(jī)構(gòu)的科研人員提出一種復(fù)合結(jié)構(gòu)的納米天線（銀納米立方放在金同心圓環(huán)結(jié)構(gòu)的中心上方）^[2]谅猾。該天線可以使放在銀納米立方與金同心圓環(huán)結(jié)構(gòu)中心上方間隙處的量子點(diǎn)保持很高的量子效率同時(shí)兼具較高的衰減速率以及很好的輻射方向性柄慰。利用數(shù)值孔徑為0.5、0.12 的顯微鏡分別可以收集60%與21%的能量赊瞬。相比于放在玻璃上的量子點(diǎn)，它的總的輻射能量以及衰減速率分別增強(qiáng)了121倍與424倍贼涩。模擬計(jì)算顯示量子效率可以達(dá)到50%以上巧涧。這個(gè)新的光學(xué)天線可以改善各種類型的納米發(fā)射器，同時(shí)發(fā)展高速的方向性輻射的納米LED以及單光子源遥倦。

Fig. 3　天線結(jié)構(gòu)及其掃描電鏡圖谤绳，圖片摘自文獻(xiàn)[2]。

Fig. 4　復(fù)合天線控制點(diǎn)源定向輻射袒哥，圖片摘自文獻(xiàn)[2]

Fig. 5　復(fù)合天線耦合下的點(diǎn)源的衰減速率以及量子效率缩筛，圖片摘自文獻(xiàn)[2]。

3. 通過(guò)介質(zhì)－等離子體復(fù)合納米天線增強(qiáng)量子點(diǎn)的自發(fā)輻射

納米光學(xué)天線可以有效地收集納米尺度的電磁能量并且增調(diào)控局部的能量輻射到遠(yuǎn)場(chǎng)堡称。介質(zhì)－金屬?gòu)?fù)合納米天線可以克服全金屬天線能量損耗的缺點(diǎn)瞎抛，同時(shí)可以獲得比全介質(zhì)天線更大的局域態(tài)密度。 Nanophotonics上一篇題為“greatly amplified spontaneous emission of colloidal quantum dots mediated by a dielectric-plasmonic hybrid nanoantenna”的文章提出一種金屬膜上硅納米球天線^[3]却紧，該天線可以很好地改善量子點(diǎn)的發(fā)光情況桐臊。相比于放置在玻璃上的量子點(diǎn)胎撤，通過(guò)該天線，量子點(diǎn)的輻射能量可以增加69倍断凶，衰減速率可以提高42倍伤提。模擬結(jié)果顯示，量子效率可以達(dá)到80%以上认烁，其中60%輻射到自由空間中肿男，另外20%以表面等離激元的形式在表面?zhèn)鞑ァＬ炀€不僅通過(guò)介質(zhì)材料克服了金屬固有的損耗却嗡，而且通過(guò)控制合適的間隔削弱了由于淬滅帶來(lái)的非輻射的能量衰減舶沛。而且文章通過(guò)米氏共振模式可以自由地調(diào)節(jié)源的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向。

Fig. 6 天線結(jié)構(gòu)示意圖稽穆，圖片摘自文獻(xiàn)[3]冠王。

Fig. 7 計(jì)算模擬電磁場(chǎng)增強(qiáng)，局域態(tài)密度增強(qiáng)舌镶，量子效率等柱彻，圖片摘自文獻(xiàn)[3]。

Fig. 8 輻射能量增強(qiáng)以及熒光壽命測(cè)量曲線餐胀，圖片摘自文獻(xiàn)[3]哟楷。

4. 控制金屬光子晶體中的等離子體Fano共振

放置在波導(dǎo)層上周期性排布的納米線可以提供等離子體與波導(dǎo)模式之間的強(qiáng)耦合。通過(guò)在波導(dǎo)層和金屬結(jié)構(gòu)之間加入分離層否灾，可以減小耦合強(qiáng)度卖擅。文中^[4]，改變分離層的厚度墨技，探究不同厚度下的耦合強(qiáng)度惩阶；通過(guò)擬合有效能量矩陣得到共振峰的位置。研究發(fā)現(xiàn)耦合強(qiáng)度可以很好地通過(guò)波導(dǎo)模式中的電場(chǎng)振幅強(qiáng)度來(lái)描述扣汪。該研究的模擬計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合断楷。研究人員實(shí)現(xiàn)了很小的模式分裂，大約為25meV崭别《玻基于研究結(jié)論，研究人員設(shè)計(jì)了幾種傳感器茅主，器件可以產(chǎn)生一個(gè)比較窄的共振峰舞痰，該結(jié)果對(duì)于傳感有很大的應(yīng)用。

Fig. 9 研究的結(jié)構(gòu)示意诀姚，圖片摘自文獻(xiàn)[4]响牛。

Fig. 10 不同分離層下的耦合強(qiáng)度，圖片摘自文獻(xiàn)[4]。

Fig. 11 分離層厚度對(duì)波導(dǎo)模式電場(chǎng)振幅以及耦合強(qiáng)度的影響娃善，圖片摘自文獻(xiàn)[4]论衍。

Fig. 12 設(shè)計(jì)的三種傳感器結(jié)構(gòu)，圖片摘自文獻(xiàn)[4]

Fig. 13 傳感器的性能聚磺，圖片摘自文獻(xiàn)[4]坯台。

文中指出，分離層的厚度可以控制耦合強(qiáng)度瘫寝，耦合強(qiáng)度與波導(dǎo)模式中x分量電場(chǎng)振幅成正比蜒蕾，更大的分離層厚度可以獲得更窄的共振峰，這對(duì)于設(shè)計(jì)傳感器件是很有益處的結(jié)果焕阿。

5. 單個(gè)金屬粒子與單層WSe2之間的等離子體與激子之間的強(qiáng)耦合

表面等離激元與激子之間的強(qiáng)耦合形成一個(gè)新的能量態(tài)咪啡，這為前沿課題的探索提供了一個(gè)多功能的平臺(tái)。單個(gè)等離子體納米顆粒由于其很小的模式體積暮屡，在強(qiáng)耦合相關(guān)研究上很受關(guān)注撤摸。然而，通常是通過(guò)化學(xué)合成的方法合成納米粒子褒纲，這樣很難精確控制表面等離激元的共振准夷，而且不利于片上集成。中科院物理所的研究人員首次實(shí)現(xiàn)了單層WSe2與光刻方式制作的單個(gè)納米顆粒間的激子與等離子的強(qiáng)耦合^[5]莺掠。聚焦在納米蝶形天線衫嵌，獲得187meV的大的拉比分裂。在蝶形天線納米間隙中的激子對(duì)于耦合強(qiáng)度起主要作用彻秆。更小的蝶形天線有更大的拉比分裂是由于其具有更小的模式體積楔绞。此外，單層的WSe2與金納米粒子唇兑，或單體的納米棒酒朵，納米三角，納米原本之間的復(fù)合系統(tǒng)都滿足強(qiáng)耦合的判據(jù)扎附。通過(guò)前沿技術(shù)制作的單體納米粒子與單層半導(dǎo)體之間的強(qiáng)耦合為在納米級(jí)別控制光與物質(zhì)之間的相互作用提供了一個(gè)新的機(jī)會(huì)蔫耽。

Fig. 14 金納米蝶形天線與單層WSe2之間的耦合方案以及不同結(jié)構(gòu)下的能量譜，圖片摘自文獻(xiàn)[5]帕棉。

Fig. 15 Plasmon-exciton強(qiáng)耦合獲得187meV的拉比分裂, 圖片摘自文獻(xiàn)[5]针肥。

參考文獻(xiàn)

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