單壁碳納米管在等離子體激元領(lǐng)域中的發(fā)展解讀

等離子體激元領(lǐng)域（利用光子撞擊金屬結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的電子波來(lái)實(shí)現(xiàn)光電子過程）在過去的五年中一直在研究領(lǐng)域發(fā)展勢(shì)頭良好。等離子體激元已經(jīng)使各種有趣的事情成為可能，例如限制光的波長(zhǎng)以設(shè)計(jì)更小的光子器件。納米材料的鼻祖 - 單壁碳納米管 - 在這個(gè)爆炸領(lǐng)域可能仍然扮演著重要的角色。

中國(guó)北京大學(xué)的研究人員已經(jīng)回到了單壁碳納米管（SWNTs）的研究，并將其用作構(gòu)建表面等離子體激元（SPP）基等離子體激元互連電路的活性通道材料。 （就像引物一樣，當(dāng)光子撞擊金屬結(jié)構(gòu)時(shí)產(chǎn)生的電子波在提到單獨(dú)的電荷振蕩時(shí)被稱為表面等離子體激元，或者當(dāng)涉及電荷振蕩和電磁時(shí)稱為表面等離子體激元波。）

據(jù)悉，Science Advances雜志上介紹的這些最新的等離子體互連電路實(shí)際上建立在北京大學(xué)科學(xué)家以前進(jìn)行的研究上。2014年，他們開發(fā)了一種使用SWNTs的無(wú)摻雜劑技術(shù)。

無(wú)摻雜劑的技術(shù)被稱為接觸來(lái)調(diào)整器件極性，這涉及到CMOS晶體管的對(duì)稱接觸，即用于N型晶體管的鈧鈧（Sc-Sc）和鈀 - 鈀（Pd- Pd）用于P型晶體管。光電二極管使用不對(duì)稱接觸，如Pd-Sc。

2014實(shí)驗(yàn)和這項(xiàng)最新研究的首席研究員Lin Mao Peng在接受IEEE Spectrum的電子郵件采訪時(shí)說(shuō)：“這種無(wú)摻雜技術(shù)比目前半導(dǎo)體行業(yè)使用的摻雜方法簡(jiǎn)單得多。它與等離子體激元相比更加相容，因?yàn)槟恍枰x擇不同類型的金屬就可以用相同的制造技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的功能?！?/p>

這種無(wú)摻雜技術(shù)使得制造由光伏級(jí)聯(lián)探測(cè)器，金條波導(dǎo)和電驅(qū)動(dòng)表面等離子體激元源組成的完整等離子體互連電路成為可能。Peng說(shuō)，這些可能被用作單片光學(xué)連接和混合光電邏輯的光電集成電路。

Peng指出，制造這些器件的無(wú)摻雜方法的本質(zhì)是歐姆或“無(wú)障礙”的接觸，這意味著對(duì)活性溝道材料的導(dǎo)帶或價(jià)帶沒有肖特基勢(shì)壘。雖然無(wú)摻雜技術(shù)使得其設(shè)備的設(shè)計(jì)成為可能，但是SWNT對(duì)其功能至關(guān)重要。

Peng說(shuō)：“迄今為止，單壁碳納米管是同時(shí)滿足鈀和鈧價(jià)帶和導(dǎo)帶要求的唯一候選材料。由于費(fèi)米釘扎效應(yīng)很強(qiáng)，納米線不能滿足這個(gè)要求。石墨烯是一種零帶隙材料，不能用作構(gòu)建晶體管或達(dá)到數(shù)字集成電路層面的有源溝道材料。”

在操作中，裝置通過電激勵(lì)單壁奈米碳管起作用，所述單壁碳納米管將其激發(fā)能量釋放到近場(chǎng)區(qū)域中的表面等離子體激元極化（SPP）。之后，這些SPP在金條波導(dǎo)底面向檢測(cè)器傳播。最后，傳播的SPP被近場(chǎng)光伏級(jí)聯(lián)探測(cè)器直接吸收并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。

Peng說(shuō)，這個(gè)過程的關(guān)鍵特點(diǎn)是互連的傳導(dǎo)介質(zhì)是從源到探測(cè)器的SPP。這使得超出衍射極限的等離子體激元互連電路的構(gòu)建成為可能。

但是，據(jù)Peng介紹，在這個(gè)整合方案在商業(yè)應(yīng)用中是可行的之前，還需要更多的材料工程。這讓人想起那些困擾碳納米管的古老怪物：純凈和讓他們?cè)谀阆胍牡胤健?/p>

Peng說(shuō)：“碳納米管的半導(dǎo)體純度應(yīng)該進(jìn)一步提高到單手性水平，以提高源的輸出。此外，CNT形態(tài)應(yīng)該排列成間距有限的平行陣列，以提高光源的耦合效率和檢測(cè)器的檢測(cè)效率。”

現(xiàn)在彭和他的同事們已經(jīng)成功地在亞波長(zhǎng)范圍內(nèi)構(gòu)建了一個(gè)完整的等離子體內(nèi)連線電路，下一步將是將這些等離子體激元器件與能夠進(jìn)行信號(hào)處理的基于CNT的CMOS集成電路集成在一起。