[發明專利]表面等離激元-光-電混合傳導納米異質結構及制備方法

在審

• 申請號: 201810187105.0
• 申請日: 2018-03-07
• 公開（公告）號: CN108459363A
• 公開（公告）日: 2018-08-28
• 發明（設計）人: 張曉陽;張彤;王善江;薛小枚;周桓立
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G02B5/00
• 分類號: G02B5/00;G02B6/122;G02B6/124;G02B6/13
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

本發明提出了一種表面等離激元?光?電混合傳導納米異質結構及制備方法，該結構包括：激勵光源(1)，半導體納米結構陣列(2)，二維表面等離激元微納結構(3)，亞波長等離極化激元導波(4)，出射光波(5)，一維表面等離激元微納結構(6)，導線(7)，金屬電極(8)，導電基底(9)，探針分子(10)，原子力顯微導電探針(11)和電壓源(12)；該方法通過控制金屬基底上游離金屬離子、空氣、水氧實現分布及密度可控的半導體晶種，實現晶種的高度一致化控制，接著通過續生長來嚴格控制半導體結構的長徑比與分布。為研究光與物質相互作用所產生的各種新奇效應提供了新的納米光學平臺。

技術領域

本發明涉及納米光學、納米材料和集成光電子器件等領域，特別涉及一種表面等離激元-光-電混合傳導納米異質結構平臺及其制備方法。

背景技術

近年來，高度集成化的電子芯片技術推動了電子工業技術的迅猛發展。人們對光學器件技術的集成化充滿期待，希望實現光學器件系統和電子器件系統的兼容，構筑功能豐富的光-電子混合芯片系統，推動芯片技術的再次跨越式發展。然而，由于光學衍射極限的存在，光信號僅能被限制在微米尺度范圍內傳輸，導致傳統集成光學器件在單元尺寸和系統體積上都無法與高度集成的電子器件比擬。隨著表面等離激元學研究的興起，為光學器件技術集成化的發展提供了新的契機。與傳統光波導相比，基于表面等離激元的波導對光的束縛能力更強，支持的模式光斑尺寸更小，從而極大提高了光學器件的集成度。

表面等離激元信號可由光信號激勵起來，但是如何有效的將光信號轉換為表面等離激元信號，進而實現光信號和表面等離激元信號的高效耦合傳輸，目前還是一個難題。實驗研究表明，單純利用透鏡聚焦激發金屬表面等離激元信號的效率僅為不到2％，因此需要引入一些輔助手段提高入射光的波矢，從而提高光波轉化為等離激元的效率的方法。迄今為止，這些輔助手段，即可實現光信號和表面等離激元信號相互耦合傳輸的各種手段主要是分別制造出光波導器件與金屬表面等離激元波導器件，并將兩種器件相互靠近或焊接在一起，利用近場耦合效應實現光信號和表面等離激元信號的互聯傳遞。或采用微納加工技術結合薄膜沉積技術制造出介質和金屬結構組成的異質結構器件。然而，這些方式制備出的光波導和表面等離激元波導器件在實現信號耦合時必將引入很大的插入損耗。產生損耗的原因包括：光學介質和金屬結構的耦合界面處的粗糙度引起的散射損耗、各種鍍膜、光刻和刻蝕等納米加工工藝帶來的材料缺陷等引起的波導側壁散射損耗和端面散射等，無論是光信號還是電信號均無法實現有效傳輸，大大降低了器件的光學傳輸效率。此外，在工藝方法上，仍存在工藝復雜、成本高及無法實現大批量制備等瓶頸問題。因此，如何有效實現光-等離激元模式之間的有效低損耗耦合是當前亟待探索和解決的關鍵問題。

目前，國際上尚未有人實現直接將等離激元金屬微納結構與半導體光-電混合器件復合，從而實現三種等離激元-光-電耦合的模式。因此，本專利提出了一種表面等離激元-光-電混合傳導納米異質結構平臺，通過將單晶的、原子平的等離激元和半導體材料直接復合，利用材料之間有效的晶格匹配，實現了真正意義上的零接觸，大大降低了耦合界面處的傳輸損耗，為研究光與物質相互作用所產生的各種新奇效應提供了新的納米光學平臺。

發明內容

技術問題：本發明的目的是為了克服已有技術的不足之處，提出了一種表面等離激元-光-電混合傳導納米異質結構及制備方法，該方法通過加水輪數來控制晶種的大小和密度，實現晶種的高度一致化控制。并通過續生長來嚴格控制半導體結構的長徑比與分布。該種直接在表面等離激元金屬微納結構上生長疏密可控、長徑比可控半導體結構的表面等離激元-光-電混合傳導納米異質結構平臺在納米材料、集成光電子器件領域具有重要應用。