基于金屬納米錐尖的光學(xué)天線陣列實現(xiàn)光波檢測和光信號放大

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，華中科技大學(xué)張新宇教授團隊在Scientific Reports期刊上發(fā)表了題為“Lightwave nano-converging enhancement by an arrayed optical antenna based on metallic nano-cone-tips for CMOS imaging detection”的最新論文，文中提出了一種將金屬納米錐尖構(gòu)成的光學(xué)天線陣列與COMS圖像傳感器耦合的新檢測方法，以實現(xiàn)非常微弱的光波檢測和光信號放大，該研究成果為進一步開發(fā)具有理想光電靈敏度和寬光譜適用性的光電探測器奠定了基礎(chǔ)。

眾所周知，表面等離子體（SP）主要來源于表面自由電子與入射光波之間的相互作用，可以在某些金屬或半導(dǎo)體材料的表面或界面上被有效地激發(fā)。在SP頻率與入射光波頻率一致且滿足動量守恒的條件下，穩(wěn)定的SP共振可以被預(yù)測。因此，在幾種常見的金屬或半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)表面合理設(shè)計具有功能性的微納米結(jié)構(gòu)，可以有效地調(diào)節(jié)區(qū)域SP能量和動量分布，甚至激發(fā)其表面?zhèn)鬏敚@意味著一種有效的可行方法，可以有效地控制或微調(diào)定向傳播，然后在特定頻帶內(nèi)實現(xiàn)表面電磁波的空間共振聚集。

SP向金屬納米尖端（nano-tip）會聚，可以在納米尺度區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)高度集中化，然后顯著增強光場。然而，由于固有耗散和輻射損耗，SP共振的局部光場增強因子（LFEF，|E|2/|E?|2）通常會受到限制。具有高LFEF共振和抑制損耗的等離子體納米粒子結(jié)構(gòu)對于許多需要強烈共振響應(yīng)和強烈增強光-物質(zhì)相互作用的應(yīng)用非常有益。通常，SP納米聚焦不僅依賴于激發(fā)的表面共振波與構(gòu)建的圖案化微納結(jié)構(gòu)的相互作用，還被定義為一種透射現(xiàn)象。因此，與普通平面式納米天線相比，研究人員提出了直立式光學(xué)納米天線陣列。

根據(jù)表面電子密度波的一種特征形式，SP將以入射光波的特定偏振方向向單個納米尖端的頂點傳播。由于金屬尖端的有效尺寸較小，SP可以更有效地被引導(dǎo)，然后被擠壓到納米尺度空間（例如頂點）中，在納米尖端的高強度光場限制下，從而呈現(xiàn)出非常強的近場光波共振增強，這通常由納米尖端的銳度以及作為特殊量子點的頂點的庫侖阻塞（Coulomb blockade）決定。

在許多高科技應(yīng)用和制造業(yè)中，例如在民用和國防領(lǐng)域，特別是在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)成像和人工智能（AI）領(lǐng)域，迫切需要具有高空間分辨率、高靈敏度和超大陣列規(guī)模等多種典型性能的探測器。近年來，基于局部光場增強天線的高靈敏度光電探測器的開發(fā)逐漸成為研究熱點。到目前為止，研究人員已經(jīng)實現(xiàn)了一些具有代表性的納米結(jié)構(gòu)光電探測器，它們具有高光導(dǎo)增益、可控波長靈敏度、快速響應(yīng)和高效的光電流轉(zhuǎn)換等特點，并且還表現(xiàn)出可調(diào)諧光吸收和高載流子遷移率的顯著光電特性。

在本論文中，研究人員開發(fā)了一種基于鍍金玻璃納米錐尖（GGNCT）的光學(xué)天線陣列，用于接收和會聚入射光波，其LFEF可達2 × 10?，最大光吸收可達98%。他們制作了具有不同結(jié)構(gòu)尺寸的直立式GGNCT陣列。在633 nm波長處的近場光波測量表明，單個GGNCT上的表面凈電荷產(chǎn)生典型的偶極子振蕩，能量沿光波矢量方向傳輸，從而導(dǎo)致強烈的局部光場增強。在此基礎(chǔ)上，他們提出了一種將GGNCT陣列和CMOS圖像傳感器近場耦合的高效成像檢測方法。在這種情況下，納米天線陣列可以看作是放置在CMOS像素前的特殊光學(xué)濾波器，使其能夠更好地檢測增強后的微弱目標(biāo)信號。通過將CMOS圖像傳感器與GGNCT陣列耦合，研究人員對波長為473 nm、532 nm、671 nm、980 nm的不同光波進行檢測實驗，結(jié)果表明，GGNCT陣列的吸收峰處可以獲得更好的凈電荷調(diào)節(jié)和聚集能力，并且可以獲得更強的檢測信號。該研究為進一步開發(fā)具有理想光電靈敏度和寬光譜適用性的光探測器奠定了基礎(chǔ)。

圖1 不同結(jié)構(gòu)的GGNCT陣列的SEM顯微照片和制造流程

圖2 與三種類型的GGNCT陣列耦合的CMOS圖像傳感器對不同波長入射光波的檢測

圖3 GGNCT陣列在典型波長（473 nm, 532 nm, 671 nm, 980 nm）處的電場分布

本研究獲得了中國國家自然科學(xué)基金（No. 61432007和61176052）的支持。

審核編輯：郭婷