鈉金屬薄膜和等離激元光子器件研究獲突破

南京大學研究團隊與北京大學、美國佐治亞理工學院等單位合作，在鈉金屬薄膜和等離激元光子器件研究方面取得了重要突破。他們利用金屬鈉所具有的低熔點特點，發展了獨特的液態金屬旋涂工藝，制成金屬鈉薄膜，首次揭示金屬鈉膜的優異光波段等離激元特性。

表面等離激是光與金屬中自由電子相互作用形成的一種新型元激發，因其對光場具有亞波長尺度的約束能力和突破衍射極限的傳輸特性，在微納光子器件和光子集成、超分辨成像等領域具有廣闊的應用前景。然而由于等離激元激發有電子振蕩參與，因而由焦耳熱引起的損耗成了等離激元器件走向應用的瓶頸。相對于銀、金等貴金屬而言，以鈉為代表的堿金屬傳輸特性更接近理想自由電子氣模型，且帶間躍遷損耗較小，因此被認為有可能具有更低的光學損耗。但由于金屬鈉活潑的化學性質和嚴苛的制備條件，基于金屬鈉的等離激元器件的實驗探索鮮有報道。

金屬鈉膜的制備是鈉基等離激元器件是首先需要解決的問題，研究團隊發展的液態金屬旋涂工藝結合可控冷卻技術，成功獲得了高質量的金屬鈉膜及等離激元結構。理論計算和實驗結果表明，制備的鈉薄膜的自由電子弛豫時間約為0.42 ps，品質因數-e1/e2在近紅外波段有明顯優越性。

隨后，研究團隊對鈉基表面等離極化激元的傳輸特性進行了定量研究。實驗結果表明，在近紅外波段(如1 500 nm)，表面等離激元在鈉-二氧化硅界面的傳播長度可達200 nm以上。此外，受益于獨特的色散特性，鈉基等離激元波導具有更強的橫向電磁場局域效應和更小的模式尺寸，其品質因數是金屬銀的2倍以上。

在此基礎上，研究團隊設計并制備了基于金屬-絕緣體-半導體復合微納結構的激光器件。實驗結果表明，將低損耗的鈉基等離激元結構與高品質因子的InGaAsP量子阱結構相結合，可有效降低整個器件的歐姆損耗和輻射損耗，制備的鈉基等離激元激光器的室溫激射閾值約為140 kW/cm2，創造了同類型納米激光器閾值新低。

研究團隊在高溫和高濕環境下進行了鈉基器件的加速老化實驗，證明了制備的鈉基等離激元器件具有非常好的耐受能力。

(來源：中國科學報)