纳米发射器发射的表面等离子体激元在近场成像 – 物理世界

由二维和准二维材料制成的光发射器目前在纳米光电子学中引起了极大的兴趣，因为它们缺乏介电屏蔽意味着它们的电子空穴对（激子）对其环境非常敏感。 这有利于制造高响应光传感器和电化学传感器等设备。

当直接沉积在金属/电介质基板中的金属表面时，这些准二维材料或“纳米发射体”发出的光可以产生表面等离子体激元 (SPP)。 这些是存在于金属/电介质界面并以波的形式沿着界面传播的光物质准粒子。 SPP 是电介质中的电磁波（极化激元），它与金属表面的电荷振荡（表面等离子体激元）耦合。 因此，SPP 具有类似于物质和光的特性。

SPP 的电磁场被限制在近场。 这意味着它只存在于金属/电介质界面，其强度随着进入每种介质的距离的增加呈指数衰减。 这导致电场大大增强，使 SPP 对其环境极其敏感。 更重要的是，可以在亚波长尺度上操纵近场光。

到目前为止，SPP/纳米发射器系统已在光学远场中得到广泛研究，但所使用的成像技术是衍射受限的，重要的亚波长机制无法可视化。 在一项新的研究中描述 自然通讯，美国的研究人员使用尖端增强纳米光谱学研究了近场纳米发射器中的 SPP。 这使团队能够可视化传播 SPP 的空间和光谱特性。 事实上，他们的研究可能会导致令人兴奋的新型实用等离子体装置。

更大并不总是更好

近年来，对光子器件及其集成到电路中的研究引起了工业界和学术界的极大兴趣。 这是因为与纯电子设备相比，光子设备可以实现更高的能源效率和更快的运行速度。

然而，在光子学在主流应用中超越电子学之前，必须克服两大挑战。 一是纯光子器件很难连接在一起形成更大的电路； 另一个是光子设备的尺寸不能小于它们处理的光波长的一半左右。 后者将器件尺寸限制在 500 nm 左右，这比现代晶体管大得多。

这两个问题都可以通过创建使用 SPP 而不是传统光的设备来解决。 这是因为 SPP 的类光特性允许极快的设备运行，而 SPP 的类物质特性允许更容易地集成到电路中并在衍射极限以下运行。

然而，为了设计实用的纳米电子学，需要更好地了解 SPP 的亚波长行为。 现在， 赵启英，宾夕法尼亚大学的博士生和同事们使用尖端增强纳米光谱学研究了 SPP。 该技术将远场光谱仪与原子力显微镜 (AFM) 相结合。

镀金 AFM 尖端在近场散射光，这使得 SPP 可以使用光谱仪进行空间和光谱成像。 该样品是通过旋涂准二维纳米片（发光体 CdSe/Cd 的纳米级薄片）溶液制成的_xZn_1-XS) 到金基板上，然后使用原子层沉积在顶部沉积氧化铝电介质。

使用激光激发纳米片，随后它们的光发射发射沿金/氧化铝界面传播的 SPP。 研究人员观察到，SPP 可以传播到数百微米，也可以被金尖端沿其原始路径反射回来。 在反射的情况下，入射和反射的 SPP 相互干扰，在尖端和纳米片之间形成驻波（见图：“准粒子反射”）。 在实验上，这些被观察为抛物线形条纹。

随着尖端和纳米片之间距离的增加，研究人员发现电场强度呈周期性变化。 这证实了驻波的存在，并证明了纳米片和尖端如何充当一种空腔。 然而，计算机模拟表明，虽然尖端和纳米片都需要观察边缘，但 SPP 产生的电磁场只有一个存在，证实两者都能够发射 SPP。

极化子凝聚从连续体中的束缚态出现

研究人员还研究了样品特性对 SPP 发射的影响。 例如，他们发现只有当纳米片“边缘朝上”（垂直于基板平面）时才会出现条纹，并且激发激光被极化，使其磁场垂直于入射面（TM 极化） . 因此，激发激光的偏振可以用作“开关”，轻松打开和关闭 SPP，这是光电设备的一个重要特征。 该团队还发现，条纹的形状可用于确定纳米发射器的偶极子方向，抛物线形状表明略微倾斜（圆形条纹表示与基板平面正好成 90° 角） .

厚度在 SPP 的特性中也起着重要作用，较厚的纳米片产生更强的电场，较厚的电介质导致更长的 SPP 传播距离。 使用不同介电材料（二氧化钛和单层二硒化钨）的研究表明，由于电场限制增加，介电常数越大，传播距离也越长。 了解这一点很重要，因为传播距离与 SPP 的能量传输直接相关。 Jo 总结说：“我们通过单个纳米级发射器附近的 SPP 发现、可视化和表征亚波长级能量流。”

该团队已经表明，尖端增强纳米光谱是研究 SPP 系统近场的强大工具，可以确定各种特性，例如偶极子方向和样本设计的影响。 “成像和检查激子半导体中的亚波长光子现象的能力使 [近场扫描光学显微镜] 成为基础研究和半导体表征的宝贵工具，”说 深贾里瓦拉，谁是描述这项工作的论文的通讯作者。 这种对 SPP 系统的深入理解对于实用纳米光电器件的开发将具有无可估量的价值。

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• Sumber: https://physicsworld.com/a/surface-plasmon-polaritons-launched-by-nano-emitters-are-imaged-in-the-near-field/