1、Applied Physics 應(yīng)用物理, 2011, 1, 9-19doi:10.4236/app.2011.11002 Published Online April 2011 (/journal/app/)9Research Progress in NanophotonicsMaterials and DevicesJunxi Zhang*, Lide ZhangInstitute of Solid State Physics, Key Laboratory of Materials Physics, Chinese Academy of Scie

2、nces,Anhui Key Laboratory of Nanomaterials and Nanotechnology, HefeiEmail: jxzhangReceived: Mar. 23th, 2011; revised: Apr. 6th, 2011; accepted: Apr. 7th, 2011.Abstract: The investigation field of nanophotonics is presented, this article provides a comprehensive review of research activities in nanop

3、hotonics materials and devices, and furthermore, the research progress of the materials and devices based on quantum confinement effect, light emission, surface plasmon polaritons (SPPs), and periodical structures is demonstrated significantly.Keywords: Nanophotonics; Nanophotonics Materials; Nanoph

4、otonics Devices; Quantum Confinement;Light Emission; Surface Plasmon Polaritons; Photonic Crystal; Nanowire Grid Polarizers納米光子學(xué)材料與器件的研究進(jìn)展張俊喜*，張立德中國科學(xué)院固體物理研究所，中國科學(xué)院材料物理重點實驗室，安徽省納米材料與技術(shù)重點實驗室，合肥Email: jxzhang收稿日期：2011年3月23日；修回日期：2011年4月6日；錄用日期：2011年4月7日摘 要：介紹了納米光子學(xué)的研究范疇，綜述了納米光子學(xué)材料和器件的研究動態(tài)和熱點，著重闡述了基于量子

5、限域效應(yīng)、光發(fā)射、表面等離子體激元和周期性結(jié)構(gòu)納米光子學(xué)材料和器件的研究進(jìn)展。關(guān)鍵詞：納米光子學(xué)；納米光子學(xué)材料；納米光子器件；量子限域；光發(fā)射；表面等離子體激元；光子晶體；納米線柵偏振器1. 引言隨著人類對信息永無止盡地追求，信息的傳輸和處理速度越來越快、數(shù)據(jù)存儲密度越來越大已成為必然趨勢。預(yù)計到2015年光纖傳輸系統(tǒng)的數(shù)據(jù)速率高達(dá)10 Tb/s，這就要求光子器件的尺度進(jìn)一步減小并最終突破光的衍射極限而達(dá)到亞波長甚至納米尺度。既然傳統(tǒng)的光子器件對光的操縱受到光的半波長衍射極限的限制，因此探索光與物質(zhì)在納米尺度上相互作用的新原理、制備納米光子學(xué)材料、構(gòu)筑納米光子器件以及發(fā)明納米光子學(xué)制造技術(shù)將

6、面臨著新的挑戰(zhàn)和機遇。納米光子學(xué)是研究在納米尺度上光與物質(zhì)相互作用的科學(xué)與技術(shù)，在納米尺度上實現(xiàn)對光子的操縱和光學(xué)器件的構(gòu)筑是納米光子學(xué)的研究目標(biāo)。納米光子學(xué)不僅為研究在小于光波長的尺度上光與物質(zhì)的相互作用過程提供富有挑戰(zhàn)性的機遇，而且為納米光子學(xué)材料在光子器件、納米醫(yī)學(xué)、納米生物學(xué)等方面的應(yīng)用創(chuàng)造了新的空間，同時為在更小尺度上的光學(xué)制造技術(shù)開辟了一條新的途徑。人們對這種科學(xué)探索和技術(shù)發(fā)明的不斷追求就是在逐步實現(xiàn)Richard P. Feynman的預(yù)言：“在下面尺度有大量的空間?！?作為一個新的前沿領(lǐng)域，納米光子學(xué)已經(jīng)引起了世界Copyright © 2011 Hanspub AP

7、P10張俊喜等 | 納米光子學(xué)材料與器件的研究進(jìn)展 Table 1. Category and content of nanophotonics表1. 納米光子學(xué)內(nèi)容分類范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注和極大興趣。納米光子學(xué)主要分為以下三個部分2,3(表1)。一是在納米尺度上限制物質(zhì)。在納米尺度上構(gòu)筑物質(zhì)結(jié)構(gòu)為控制材料的光學(xué)和電學(xué)性能提供了強有力的工具，已成為材料科學(xué)研究的前沿領(lǐng)域。通過選擇不同類型的材料和控制材料的局域結(jié)構(gòu)(如形貌和尺寸等)可以實現(xiàn)對光學(xué)性能的調(diào)控，不僅體現(xiàn)在線性光學(xué)而且在非線性光學(xué)中出現(xiàn)很多新奇的現(xiàn)象。例如，可以控制光學(xué)共振和局域場相互作用，通過控制局域聲子態(tài)密度來操縱激發(fā)動力學(xué)以及通過控

8、制結(jié)構(gòu)之間的相互作用影響能量轉(zhuǎn)換等。二是在納米尺度上限制波的輻射。傳統(tǒng)光學(xué)研究的是光在遠(yuǎn)場空間的行為，由于光的衍射限制，所獲得的光學(xué)信息是在宏觀區(qū)域內(nèi)的平均響應(yīng)。近場掃描光譜(NSOM)和光子掃描隧道譜(PSTM)突破了光的衍射限制因而使得在納米尺度上探測局域光場和研究近場區(qū)域光與物質(zhì)相互作用成為可能。而且近場光學(xué)技術(shù)提供的高精度和高分辨將會在納米光子學(xué)加工和制造中扮演重要角色，例如將錐形光纖探針涂上金屬，光可以從遠(yuǎn)小于入射光波長的光纖探針尖端上發(fā)射而實現(xiàn)隧穿。三是在納米尺度上的光學(xué)加工。驅(qū)動未來工業(yè)應(yīng)用需求的一系列光學(xué)加工技術(shù)越來越受到關(guān)注，包括集成電子線路，集成光電子耦合，表面處理，數(shù)據(jù)存

9、由于半導(dǎo)體量子點的尺寸小于其激子波爾半徑，所激發(fā)的電子與空穴的庫侖相互作用很弱并形成各自能級，這使得半導(dǎo)體量子點有類似于原子分立能級的特征，因此可以產(chǎn)生窄線寬的熒光發(fā)射(線寬可以小于KBT)和高的熒光發(fā)射效率，從而顯示出很強的量子限域效應(yīng)。量子點的熒光可以通過單激發(fā)態(tài)4-8、雙激發(fā)態(tài)9,10和多激發(fā)態(tài)11,12躍遷來實現(xiàn)。既然尺寸分布不均勻會導(dǎo)致光發(fā)射譜加寬，要實現(xiàn)這種窄的熒光發(fā)射特性就需要制備尺寸分布均勻的高質(zhì)量的量子點或單個量子點，目前的工作主要是圍繞這方面展開的。如所制備的高質(zhì)量直接帶-族半導(dǎo)體量子點(CdSe12-19, CdS11, CdTe20,21, CdSe/ZnSe22, C

10、dSe/ZnS23等)和-族(如InAs4-6,24-27, InP28,29, InAs/GaAs30-32, InGaAs33-35, InGaN36, 和AlGaAs-GaAs37等)顯示很高的熒光效率而可以作為很好的發(fā)光材料。另一方面，研究Si 儲等。這些應(yīng)用必然要求大幅度提高光學(xué)處理技術(shù)的精度和分辨率。傳統(tǒng)光學(xué)加工器件的空間分辨依賴于光源的光斑尺寸而受到衍射極限的限制，而在納米尺度上的光學(xué)加工不受這些限制而可以實現(xiàn)高精度和高分辨，同時可以為設(shè)計納米光子結(jié)構(gòu)和功能單元以及納米結(jié)構(gòu)器件提供一條行之有效的途徑。2. 基于量子限域效應(yīng)的納米光子學(xué)材料Copyright © 2011

11、 Hanspub APP張俊喜等 | 納米光子學(xué)材料與器件的研究進(jìn)展11納米結(jié)構(gòu)的熒光性能主要集中在多孔硅38,39和硅納米晶40-42上，而這些Si納米結(jié)構(gòu)的熒光發(fā)射帶很寬。Sychugov等通過單個量子點熒光譜研究了從低溫到室溫單個Si納米晶的發(fā)射線寬43。結(jié)果顯示單個Si量子點在35 K顯示了窄的發(fā)光(線寬為2 meV)，至少可以達(dá)到直接帶半導(dǎo)體量子點線寬，證實了強的量子限域效應(yīng)。與多孔硅和Si納米晶相比非晶硅(a-Si)本身的特點和a-Si量子點的量子限域效將期望在短波段作為很好的發(fā)光材料。Park等報道了采用PECVD的方法在SiN薄膜上制備高質(zhì)量的a-Si量子點并在實驗上首次證實了

12、在零維a-Si中的量子限域效應(yīng)導(dǎo)致強的熒光發(fā)射44，而且通過控制量子點的尺寸可以調(diào)制Figure 1. Exciton absorption spectrum of orderedPbSe nanowire arrays圖1. PbSe納米線有序陣列的激子吸收譜1.01 1rr00)1.4 1.50 1.4 1.5.u.a0.5eVeV( ytsinentI0.01.21.2 1.4 1.6 1.8 1.2 1.4 1.6 1.8Energy (eV) Energy (eV)(a) (b)Figure 2. Excitation (a) and emission (b) spectra of

13、an InP nano-wire (the solid and the dashed lines correspond to the polarization directions of the exciting laser aligned parallel and perpendicular to the nanowire axis, respectively, inset, the spectra of the polariza-tion ratio as a funcition of energy)圖2. 單根InP納米線的激發(fā)譜(a)和發(fā)射譜(b)(實線和虛線分別為偏振方向平行和垂直于

14、納米線的譜圖，插圖是偏振度譜)Copyright © 2011 Hanspub 光發(fā)射波長(帶隙從2.0 eV到2.76 eV)。由于量子點光發(fā)射的光沿各個方向傳播，因而需要大的立體角的探測元件，這對光的探測器件提出了很高要求，那么針對這一難題可以通過調(diào)控發(fā)射光的傳播方向來解決。最近Curto等設(shè)計了一種可以單方向傳播的量子點光發(fā)射元件45，是將單個量子點直接耦合到一種Yagi-Uda納米天線上，這種通過在納米天線的近場耦合產(chǎn)生的表面等離子體共振增加了光發(fā)射效率，而且量子點發(fā)射光具有很好的偏振性能和窄的發(fā)散角，其光發(fā)射方向性能夠通過納米天線的尺度進(jìn)行控制。Bleuse等報道了將單個I

15、nAs量子點組裝到GaAs量子線中實現(xiàn)對光發(fā)射的控制46，這里量子線強烈地阻止自發(fā)光發(fā)射的連續(xù)輻射模式而產(chǎn)生一種有效的漏斗狀的導(dǎo)光模式，即具有很好的方向性，這種復(fù)合結(jié)構(gòu)有望作為一種單光子或糾纏光子對的高效量子光源。和量子點類似，如果納米線的直徑小于激子波爾半徑時也會產(chǎn)生量子限域效應(yīng)。Korgel小組采用超流液相法制備了直徑為45 nm的Si量子線并觀察到由量子限域效應(yīng)引起的可見波段的熒光發(fā)射47，并在紫外到可見波段發(fā)現(xiàn)了窄的分立的光學(xué)躍遷以及強的帶邊熒光發(fā)射，這些光學(xué)特性主要來源于量子限域效應(yīng)的貢獻(xiàn)。最近Lansbergen等通過在p型Si納米線構(gòu)筑場效應(yīng)晶體管通道中進(jìn)行單個As原子摻雜實現(xiàn)對

16、摻雜原子波函數(shù)的調(diào)制48，通過晶體管柵極電勢能夠控制摻雜原子和鄰近量子阱核勢壘之間單電子摻雜態(tài)的雜化度，從而實現(xiàn)對單個摻雜原子的量子限域行為的控制。張立德小組報道了在氧化鋁模板中組裝PbSe納米線49，并觀察到強的量子限域效應(yīng)。由于PbSe的激子波爾半徑為46 nm 50，這樣就能在較大尺寸的PbSe中較容易的觀察到強的量子限域效應(yīng)。對部分去除氧化鋁膜的PbSe納米線陣列(納米線直徑為50 nm)的激子吸收譜研究顯示從可見到紫外區(qū)存在兩個很強、較寬的吸收峰(圖1)，位置分別在280 nm和434 nm 處，經(jīng)分析研究發(fā)現(xiàn)位于280及434 nm處的峰分別來自于1se-1sh和1pe-1ph激子

17、躍遷吸收。3. 基于納米線光發(fā)射的材料和器件3.1. 偏振各向異性的發(fā)光材料Lieber小組研究了單根InP納米線室溫下的光發(fā)射特性51，發(fā)現(xiàn)當(dāng)入射激光偏振方向從平行轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪庇诩{米線軸向時熒光發(fā)射從開的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)的APP12張俊喜等 | 納米光子學(xué)材料與器件的研究進(jìn)展?fàn)顟B(tài)，顯示了偏振各向異性的發(fā)射特性(圖2)。他們預(yù)言了這種偏振敏感的半導(dǎo)體納米線可以用在高密度光學(xué)元件之間的連接和光子線路中，同時有望在寬波段范圍內(nèi)包括光通信波長上作為高分辨探測器。3.2. 納米激光器量子線或納米線是研究尺寸對電子傳輸、光學(xué)性能調(diào)控的理想體系，可望作為納米光子器件和光電子器件中的連接和功能元件。楊培東小組系統(tǒng)

18、地研究了ZnO納米線陣列的光發(fā)射特性并發(fā)現(xiàn)在室溫下展示了紫外激光行為52-54。當(dāng)激發(fā)功率低于激光閾值時顯示的是一個自發(fā)發(fā)射的寬發(fā)射峰(半高寬為17 nm)，這種光發(fā)射是由于激子復(fù)合產(chǎn)生的。隨激發(fā)功率的增加，發(fā)射峰會變窄，當(dāng)激發(fā)功率超過激光閾值(40 kW·cm-2)時，發(fā)射峰變得很窄(線寬小于0.3 nm)。這種ZnO納米線陣列中觀察到的激光行為表明并不需要制備單晶、像鏡面端口的納米線作為諧振腔。類似的激光發(fā)射在單根ZnO納米線55、單根GaN納米線56和InGaAs/GaAs異質(zhì)結(jié)納米柱57中也已經(jīng)被觀察到。最近人們通過采用表面等離子體激元(SPPs)效應(yīng)來限制納米激光器光發(fā)射行

19、為58-60。Noginov等設(shè)計了一種尺寸為44 nm的spaser激光器59，這種激光器是采用Au納米顆粒(核)/摻雜染料的氧化硅(殼)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，這種結(jié)構(gòu)完全克服了SPPs在光學(xué)增益介質(zhì)中的傳輸損耗，SPPs效應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)在一個納米尺度的諧振腔中的光學(xué)頻率共振而輸出激光，這種spaser激光器是目前報道的在可見光波段(531 nm)最小的激光器。3.3. 納米發(fā)光二極管Lieber小組采用構(gòu)筑納米線p-n結(jié)實現(xiàn)了二極管發(fā)光行為61。他們將p-型間接帶隙半導(dǎo)體(如Si)納米線和n-型直接帶隙半導(dǎo)體(如CdS，CdSSe，CdSe和InP等)納米線交叉連接構(gòu)筑了納米發(fā)光二極管(NanoLED)

20、，當(dāng)加上高于帶隙的偏壓時n-型半導(dǎo)體納米線單元會產(chǎn)生光發(fā)射而間接帶隙Si納米線是中性的。他們還將p-Si與n-GaN, CdS和CdSe交叉連接組裝成多顏色NanoLED陣列(圖3)，發(fā)光峰位分別在365 nm，510 nm和690 nm，相應(yīng)于GaN, CdS和CdSe的帶邊發(fā)射。這種交叉連接的NanoLED的發(fā)射顏色只受到直接帶隙半導(dǎo)體的限制，而且器件有效面積為納Copyright © 2011 Hanspub Figure 3. Schematic image of a multicolor NanoLED arraydesigned by p-Si/n-GaN, CdS, a

21、nd CdSe nanowires 圖3. p-Si和n-GaN, CdS和CdSe構(gòu)筑的多顏色NanoLED陣列的示意圖米尺度因而可作為點光源，同時可以獲得單一顏色和多重顏色，并可以實現(xiàn)光子和電子元件的集成。Taniyasu等設(shè)計了一種AlN紫外LED(波長在210 nm)62，通過在AlN中的p型(Mg摻雜)和n型(Si摻雜)共摻雜獲得p-AlN/AlN/n-AlN(AlN PIN)的同質(zhì)結(jié)并可實現(xiàn)6 eV的寬直接帶隙，其發(fā)光來自于激子躍遷，這是目前報道的最短波長的LED，有望用于高密度光存儲和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。最近人們也采用有機聚合物(如PF-TAA和NRS-PPV)設(shè)計了從藍(lán)光到橙色到紅

22、光的LED63。4. 基于表面等離子體激元的光子學(xué)材料和器件當(dāng)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的尺度減小到納米尺度時，操縱光子將面臨著突破光的衍射極限的困難，這使傳統(tǒng)光學(xué)器件進(jìn)一步小型化受到限制。激發(fā)表面等離子體激元(SPPs)有望給將來的光子器件開辟一條捷徑。SPPs是一種沿著金屬表面?zhèn)鞑サ碾姾擅芏炔?，在光與金屬表面自由電子相互作用時自由電子會在金屬與電介質(zhì)界面發(fā)生集體振蕩而產(chǎn)生表面等離子體激元，進(jìn)一步它與光場耦合會導(dǎo)致局域場增強。SPPs將在亞波長光學(xué)(如SPPs波導(dǎo)64-71，SPPs光源72-76)、近場光學(xué)77-80、表面增強光譜81-85、數(shù)據(jù)存儲86-88、太陽能電池89-91、化學(xué)92,93和生物傳感

23、器94-96等方面有潛在的應(yīng)用。4.1. SPPs波導(dǎo)Quinten等采用球形Ag納米顆粒排列成線形鏈構(gòu)筑亞波長光波導(dǎo)64，其原理就是通過顆粒間的耦合作用實現(xiàn)光傳輸。當(dāng)光只照射Ag納米球鏈的最下端第一個顆粒時，發(fā)現(xiàn)偏振方向平行納米球鏈軸時SPPs被激發(fā)，而且其它納米球經(jīng)耦合相繼得到振動能量而使SPPs沿鏈傳播；而偏振方向垂直納米球鏈軸時APP張俊喜等 | 納米光子學(xué)材料與器件的研究進(jìn)展13SPPs波發(fā)生明顯衰減。Weeber等報道了采用金屬納米線實現(xiàn)光的傳播66。在電介質(zhì)基底上淀積金屬納米線，線的短軸遠(yuǎn)小于入射光波長而線的長度大于光波長。采用某一波長的聚焦平面波照射納米線的一端(entranc

24、e)時，在納米線的另一端(exit)的近場區(qū)域出現(xiàn)了光場分布，這表明SPPs會沿納米線傳播。進(jìn)一步結(jié)果表明在不同波長的入射光照射下，納米線近場光強分布明顯不同。采用633 nm的光照射時近場區(qū)只有照射點有光場，而用835 nm的光照射時發(fā)現(xiàn)在另一端近場區(qū)域有較強的光場(圖4)。最近Oulton等將電介質(zhì)圓柱納米線用金屬表面進(jìn)行分隔68，這種混雜結(jié)構(gòu)可以在金屬與電介質(zhì)界面實現(xiàn)SPPs傳輸，這種混雜結(jié)構(gòu)的SPPs波導(dǎo)具有強的局域性能夠?qū)⒐饩窒拊趌2/400l2/40的范圍內(nèi)，而且能夠?qū)崿F(xiàn)低損耗、長距離傳輸(40150 µm)，通過調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)可以將傳輸距離增加到毫米量級。要實現(xiàn)高的光數(shù)據(jù)

25、傳輸速率需要將光學(xué)元件集成化，最近夏幼南小組實現(xiàn)了將多個Ag納米線SPPs波導(dǎo)在聚合物光波導(dǎo)中的集成69，這種光波導(dǎo)在一個芯片上能夠用同一個聚合物波導(dǎo)將光耦合到多根金屬納米線中，而且通過改變?nèi)肷涔馄駚韺崿F(xiàn)對耦合強度的控制。除了采用納米顆粒和納米線設(shè)計SPPs波導(dǎo)以外，人們還采用多種形狀的納米通道實現(xiàn)SPPs的傳輸。tyi2tysi s en tent.5In 1 In.5 ed1 z ed.5i z l1i l 1a a m m r r)1 o) om N1 N m (1 X X .5.5 0.50 0 .5 0 000 0.2 0.4 0.6 0.80 0.2 0.4 0.6 0.8Y (

26、m) Y (m)(a) (b)Figure 4. Distribution of the near-field electric intensity of nanowirefor the incident wavelengths of 633 nm (a) and 835 nm (b) 圖4. (a)和(b)分別為633 nm和835 nm波長光照射下納米線近場區(qū)的光強分布Copyright © 2011 Hanspub Ebbesen小組采用聚焦離子束(FIB)技術(shù)設(shè)計了V-型槽70，Mach-Zehnder干涉儀和波導(dǎo)環(huán)共振器，這些結(jié)構(gòu)可作為在光通信波長上的通道型傳輸模式的亞波長

27、SPPs波導(dǎo)，這種波導(dǎo)具有強的SPPs局域行為和低的傳輸損耗。最近Nagpal等采用刻蝕方法制備不同構(gòu)型的Si納米圖案(溝槽型、金字塔型、凸起型和孔型)71，以此為模板組裝相應(yīng)形狀的表面非常光滑的貴金屬納米結(jié)構(gòu)并獲得好方向性和低損耗的SPPs傳輸，而且實現(xiàn)器件的集成。4.2. SPPs光源Ebbesen小組通過采用聚焦離子束銑削方法制備亞波長周期性金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計了SPPs光源72。圖5(a)是在Ag薄膜上做一直徑為250 nm的圓柱小孔，在小孔邊緣刻有周期性同心圓溝槽，在出射端加工相同的結(jié)構(gòu)。當(dāng)光正入射到這些溝槽結(jié)構(gòu)時表面會激發(fā)SPPs，SPPs通過小孔時產(chǎn)生透射增強效應(yīng)，在沿小孔方向(0

28、76;)透射最強(圖5(b)，顯示經(jīng)過出射端口時小孔(a)1.00.8).u.a(0.6 ytisnetn0.4I0.2 = 660 nm0.00 5 10 15 20 25 30Angle (deg)(b)Figure 5. Pore structure with a periodical groove in an Ag film and the transmission intensity distribution with the collection angles, inset, schematic image of the incident and emergent beams 圖5

29、. (a)和(b)分別是小孔結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的透射光強隨探測角度的分布，插圖是入射與出射光示意圖APP14張俊喜等 | 納米光子學(xué)材料與器件的研究進(jìn)展的光具有很好的方向性。最近Oulton等在Ag薄膜襯底上設(shè)計了高光學(xué)增益的CdS納米線75，并將Ag薄膜襯底與CdS納米線之間采用5 nm厚的MgF2絕緣層分隔，這種混雜結(jié)構(gòu)能夠?qū)PPs聚焦在金屬與電介質(zhì)界面的很小區(qū)域(l2/400)，這比衍射極限光斑的尺寸小100倍，由于這種SPPs模式的高度局域性使得激光自發(fā)輻射率提高了六倍。朱星小組采用對稱性破缺的Au納米圍欄實現(xiàn)對SPPs的亞波長單點聚焦，通過改變激發(fā)光的偏振行為和對稱性破缺程度實現(xiàn)對SPPs

30、干涉條紋的調(diào)制76。4.3. 光存儲最近Zijlstra等報道了采用Au納米棒的SPPs性質(zhì)實現(xiàn)五維光存儲87。由于Au納米棒具有獨特的光學(xué)和光熱特性，窄的縱向表面等離子共振(LSPR)和偶極光學(xué)響應(yīng)能夠使得在激光照射區(qū)域內(nèi)的少量納米棒進(jìn)行光學(xué)尋址，通過光熱整形和雙光子熒光探測來實現(xiàn)記錄和讀出。采用非線性雙光子熒光探測具有好的角度和波長選擇性，而單根納米棒的散射和雙光子熒光淬滅與波長和偏振有緊密的關(guān)系，在記錄過程中，被選擇的納米棒吸收激光脈沖導(dǎo)致溫度上升，對于足夠高的激光脈沖能量，被選中的納米棒的溫度被加熱到融化閾值以上，這時納米棒的形狀會被轉(zhuǎn)換成短棒或球形顆粒，這會使得某一縱橫比和取向的納米

31、棒數(shù)目減少，在熒光淬滅過程中產(chǎn)生了一個偏振影響的漂泊現(xiàn)象。采用Au作為記錄媒介可以將波長、偏振和三個維度同時和在一起形成一個單獨的五維存儲技術(shù)，這種在同一記錄體積中存儲多個可單個尋址模式的復(fù)用存儲技術(shù)能夠大大提高光記錄密度，記錄密度可達(dá)到1 Tbit/cm3。5. 基于周期性結(jié)構(gòu)的納米光子學(xué)材料和器件5.1. 光子晶體自從Yablonovitch97和John98各自提出了光子帶隙的概念以來，近二十年光子帶隙材料一直吸引了人們的關(guān)注，最近幾年光子晶體仍然是研究熱點。具有不同介電常數(shù)的介質(zhì)材料按周期性排列，在其中傳播的光波的色散曲線將成為帶狀結(jié)構(gòu)，帶與帶之間會出現(xiàn)類似于半導(dǎo)體帶隙的光子帶隙，頻率

32、落在帶隙中的光波被嚴(yán)格禁止傳播，這種具有光子帶隙的周期性電Copyright © 2011 Hanspub 介質(zhì)結(jié)構(gòu)稱為光子晶體，它可分為一維、二維和三維光子晶體。光子晶體為光學(xué)器件的小型化和集成化創(chuàng)造了史無前例的機遇，這歸因于它新的物理特性如抑制和增強光的自發(fā)發(fā)射，具有低的激光閾值，和量子信息處理等。研究較多的是紅外波段的光子晶體99-103，可見104-107和紫外108波段上的光子帶隙材料也開始嶄露頭角。在二維光子晶體的一個重要進(jìn)展就是采用周期性孔陣列設(shè)計光子晶體光纖109,110，與傳統(tǒng)光纖相比這種光纖可以實現(xiàn)低的光損耗。最近Noda小組在芯片上設(shè)計了一種二維方形和矩形格子的

33、光子晶體激光器111，通過改變格子的參數(shù)實現(xiàn)對激光共振條件和輸出光束方向的控制，而且通過動力學(xué)控制芯片集成化的連續(xù)掃描能夠使得輸出激光的光束在一定方向范圍內(nèi)(相對于入射光方向最大偏離角度可達(dá)30°)調(diào)制。Tandaechanurat等報道了在GaAs基的二維薄層中堆垛三層高密度的InAs量子點構(gòu)筑一種三維光子晶體112，實現(xiàn)了在三維光子晶體諧振腔中的光子振蕩，輸出的激光由于量子點耦合諧振腔共振模式而獲得了很高的激光品質(zhì)因子(Q因子約38500)，這種將激光模式局域在三維光子晶體的完全光子帶隙中能強烈地限制光子在諧振腔中并有效地阻止自發(fā)光發(fā)射。要實現(xiàn)光子晶體的應(yīng)用需要解決以下幾個問題：

34、一是在光波段構(gòu)筑完全光子帶隙的三維光子晶體；二是將任意缺陷態(tài)引入到光子晶體中；三是引入一種有效的光發(fā)射元件。制備三維光子晶體的有很多方法，例如熔化粘結(jié)和激光束輔助排列技術(shù)102,113、自組裝方法114-117、微機械硅加工技術(shù)118、掠射角淀積技術(shù)119和蝕刻技術(shù)101,104,120-122等。5.2. 納米線柵偏振器光偏振在光隔離、光調(diào)制、光開關(guān)等光學(xué)元件中扮演重要角色。在許多光學(xué)元件和光電子元件中，必不可少的是要由偏振器來產(chǎn)生或檢驗線偏振光。偏振器的偏振性能如何將直接影響到這些元件的性能。隨著光學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，偏振器的微型化和高性能將成為必然趨勢，其中線柵偏振器便于實現(xiàn)微型化，它會在

35、將來的光通訊、集成光學(xué)、光電探測中有重要的應(yīng)用前景。線柵偏振器通常采用蒸發(fā)和刻蝕技術(shù)設(shè)計。Bird 等采用掠入射方法在熟料光柵復(fù)型基底上通過蒸發(fā)金屬來制備線柵偏振器123，這種線柵的周期是463APP張俊喜等 | 納米光子學(xué)材料與器件的研究進(jìn)展15nm，它在215 µm的紅外波段顯示偏振現(xiàn)象。Young等采用不同襯底材料(如ZnS和ZnSe)來改進(jìn)線柵的偏振性能124，它適用于620 µm的紅外波段。Doumuki等利用電子束刻蝕技術(shù)成功地在SiO2125和GaAs126襯底上制備了Al線柵微偏振器，其中在SiO2基底上制備的Al線柵周期為390 nm，由于s偏振共振效應(yīng)而

36、在近紅外波長顯示了偏振現(xiàn)象。2005年，Wang等采用納米印章刻蝕和電子束蒸發(fā)相結(jié)合的方法制備了高性能納米線柵偏振器127，首先通過納米印章刻蝕技術(shù)構(gòu)筑電介質(zhì)(如SiO2)納米壁，然后采用電子束蒸發(fā)在納米壁側(cè)面和底部沉積Au膜形成線柵芯結(jié)構(gòu)，納米壁寬和高分別為60 nm和515 nm，側(cè)面和頂部的Au膜厚度為24 nm，光學(xué)測量結(jié)果顯示這種納米線柵在近紅外波段(C帶)消光比可以達(dá)到40 dB而在整個C帶透射率可達(dá)97%。最近Lin等采用刻蝕技術(shù)在光纖上制備了一種寬波段范圍的Au線柵偏振器128，線柵周期為200 nm，線柵厚度為100 nm, 在1310 nm和1550 nm通信波長的消光比分

37、別達(dá)到15.6 dB和20.5 dB。以上都是采用自上而下(Top-down)的方法設(shè)計線柵偏振器，其優(yōu)勢是在近紅外到中紅外波段展示較好的偏振性能，而且在器件連接和光學(xué)測量上可操作性強，它的不足是制備過程復(fù)雜且技術(shù)昂貴，且線尺寸很難達(dá)到納米尺度；相比較而言，采用自下而上(Bottom-up)的方法也可以設(shè)計線柵偏振器，這種方法具有成本低、制備過程簡單、可控性好、容易實現(xiàn)小型化。張立德小組報道了采用金屬納米線有序陣列可以設(shè)計在可見到近紅外波段上的線柵偏振器，對單一尺寸的金屬納米線陣列的光偏振研究表明金屬納米線陣列在該波段顯示了較好的偏振性能129,130。張俊喜對金屬納米線陣列產(chǎn)生光偏振的機理進(jìn)

38、行深入研究，分析結(jié)果表明消光比來自于界面Fresnel反射和金屬納米線的吸收而插入損耗是源于金屬納米線Rayleigh散射的貢獻(xiàn)。采用氧化鋁模板技術(shù)構(gòu)筑的金屬納米線陣列可以將線柵周期降低到納米尺度，因而通過優(yōu)化尺度參數(shù)能夠?qū)⒔饘偌{米線陣列用于構(gòu)筑一種新型的線柵偏振器(圖6)，我們稱之為納米線柵偏振器，這是國際上最早提出納米線柵偏振器概念的報道(2004年)131。在此基礎(chǔ)上，我們系統(tǒng)研究了金屬納米線尺度對偏振性能的調(diào)制，結(jié)果表明納米線的直徑和間距對消光比和插入損耗具有同步的調(diào)制行為131(圖7，圖8)，隨直徑增加消光比提高但插入損耗Copyright © 2011 Hanspub 也

39、增大了，另一方面隨間距增加插入損耗降低但消光比也減小了。將納米線的直徑與間距同時考慮，在此基礎(chǔ)上我們發(fā)現(xiàn)一個影響偏振性能的重要參數(shù)：直徑與間距之比132。系統(tǒng)研究了這一參數(shù)對消光比與插入損耗的影響并進(jìn)行合理的解釋，由此提出基于金屬納米線陣列構(gòu)筑納米線柵偏振器的優(yōu)化設(shè)計方案既通過選擇適中的直徑與間距的比值不變?nèi)缓鬁p小直徑，從而同時獲得最高的消光比和最低的插入損耗(圖9)。我們設(shè)計的基于金屬納米線陣列構(gòu)筑納米線柵偏振器的期望值：在光通信的1550 nm波長消光比為40 dB，而插入損耗為0.5 dB，而在大于這一通信波長消光比大于40 dB而插入損耗小于0.5 dB。Figure 6. Schem

40、atic image of nanowire grid polarizer designed bya metal nanowire microarray圖6. 金屬納米線陣列構(gòu)筑納米線柵偏振器的結(jié)構(gòu)示意圖Figure 7. The optical loss spectra of the microarrays of copper nanowires with uniform spacing of 130 nm but different diameters of 30 nm, 65 nm, and 100 nm, where, Ls and Lp are the extinctionratio

41、 and the insertion loss, respectively圖7. 相同間距(130 nm)、不同直徑(30, 65, 100 nm)的Cu納米線陣列的光學(xué)損耗譜，其中Ls為消光比，Lp為插入損耗APP16張俊喜等 | 納米光子學(xué)材料與器件的研究進(jìn)展Figure 8. The optical loss spectra of the microarrays of copper nanowires with uniform diameter of 50 nm but different spacing of70 nm, 100 nm, and 130 nm圖8. 相同直徑(50 nm

42、)、不同間距(70 nm, 100 nm, 130 nm)的Cu納米線陣列的光學(xué)損耗譜Figure 9. Diameter evolution of optical loss spectra of the microar-rays of silver nanowires when selecting the ratio of 2a and b of 0.5 圖9. 當(dāng)2a/b為0.5時不同直徑的Ag納米線陣列的光學(xué)損耗譜6. 小結(jié)與展望本文綜述了納米光子學(xué)材料和器件的研究進(jìn)展，著重從以下幾個方面介紹：一是基于量子限域效應(yīng)的納米光子學(xué)材料，包括-和-族半導(dǎo)體量子點，Si量子點和量子線，以及PbS

43、e量子線，這些納米光子學(xué)材料顯示出強的量子限域效應(yīng)，具有高的熒光發(fā)射效率；二是基于納米線光發(fā)射的材料與器件，包括具有偏振各向異性光發(fā)射的InP納米線，具有窄的紫外光發(fā)射可作為納米激光器的ZnO納米線陣列，采用間接帶隙和直接帶隙交叉連接構(gòu)筑紫外到近紅外波長的納米發(fā)光二極管(NanoLED)；三是基于SPPs的光子學(xué)材料和器件，包括貴金屬納米顆粒和納米線SPPsCopyright © 2011 Hanspub 波導(dǎo)，周期性結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)的局域場增強并實現(xiàn)SPPs聚焦而構(gòu)筑SPPs光源，以及由于SPPs效應(yīng)實現(xiàn)五維光存儲貴金屬納米棒材料等；四是基于周期性結(jié)構(gòu)的納米光子學(xué)材料和器件，包括采用周期性

44、電解質(zhì)設(shè)計的紅外、可見甚至到紫外波段的光子晶體，采用金屬納米線陣列設(shè)計高性能的納米線柵偏振器等。納米光子學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展面臨很多挑戰(zhàn)，譬如，發(fā)展納米技術(shù)如何實現(xiàn)更小、高效、高穩(wěn)定性的納米光子器件，如何實現(xiàn)全光集成化，發(fā)展新材料、新原理和新技術(shù)如何調(diào)控納米光子學(xué)材料和器件的性能并實現(xiàn)性能優(yōu)化，如何將納米光子學(xué)材料和納米光子器件的應(yīng)用加以拓寬，不僅局限在光子學(xué)領(lǐng)域而且利用納米光子學(xué)的特點能夠有效地應(yīng)用到環(huán)境、能源、生物、醫(yī)藥和健康等領(lǐng)域。7. 致謝感謝國家自然科學(xué)基金(10804112)和973項目(2007CB936601)的資助。參考文獻(xiàn) (References)1R. P. Feynman.

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