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[ACS研讨会系列] 磷纳米材料基础与应用 第1333卷 || 基于黑磷的光电探测器
摘要： 层状二维（2D）黑磷（BP）在纳米电子学和纳米光子学领域具有重要应用价值。其0.3至2电子伏特的窄直接带隙、高载流子迁移率、调制能力及偏振敏感性，尤其使其成为极具前景的光电探测器材料?；诔⌒в骞芙峁沟恼ぜ刂剖迪至薆P光电探测器的调制功能，同质结与异质结结构在提升载流子收集效率的同时有效抑制了暗电流，而等离激元效应与雪崩击穿机制则进一步增强了器件响应度。为拓展BP的探测波长范围，研究者通过电场调制和砷掺杂技术实现了最高达8微米的宽波段探测。得益于二维特性带来的易集成优势，基于BP的波导集成光电探测器已在近红外（NIR）通信领域和中红外（MIR）片上传感领域获得应用。通过优化器件设计可同时实现高速响应与高灵敏度。尽管BP在波导上的机械稳定性仍具挑战，但实现晶圆级BP生长对大规模量产的可扩展集成至关重要。
关键词： 近红外、黑磷、波导集成、纳米电子学、纳米光子学、光电探测器、中红外
更新于2025-09-12 10:27:22
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利用二氧化钛纳米锥阵列中的介电光学波导实现太阳能燃料生产的高宽带光传输
摘要： 我们描述了TiO?纳米锥阵列的制备及其应用，该阵列能使覆盖高负载光吸收电催化剂的光电半导体电极实现高光学透射率。当超过50%的光吸收体表面被高折射率TiO?纳米锥阵列覆盖时，该表面呈现出减反特性（反射率<5%），即使在与纳米锥非正对区域沉积厚金属触点或不透明催化剂涂层的情况下，仍能保证>85%的宽带光透射至底层硅基体。针对400-1100 nm光谱范围的三维全场电磁模拟表明，入射宽带光耦合进入TiO?纳米锥的多种导波模式，从而减少了光与金属层的相互作用。我们通过概念验证实验展示了光驱动水氧化过程：在p+n-Si光阳极表面修饰TiO?纳米锥阵列，并在未被纳米锥覆盖的p+n-Si区域电沉积Ni催化剂层。该光阳极在100 mW cm?2的AM 1.5模拟光照下产生约28 mA cm?2的光限电流密度——相当于裸露平面硅表面的预期值，尽管硅前表面54%区域被约70 nm厚的Ni金属层覆盖。
关键词： 光伏、纳米光子学、光电子学、介电纳米锥、光电化学、宽带传输
更新于2025-09-12 10:27:22
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具有明确纳米间隙间隔的等离子体纳米粒子二聚体阵列
摘要： 等离激元分子是金属纳米结构的构建单元，能产生与分子体系相似的有趣光学现象。由于缺乏能在宏观尺度上控制等离激元原子结构的合适制备方法，目前尚无法实现具有纳米级精度的等离激元杂化结构与分子设计，从而制约了其在光学超材料和传感领域的应用。本研究展示了一种晶圆级"免光刻"并行制备方案，可精确调控纳米间隙等离激元超分子的尺寸、形貌、材质与取向。我们通过该方法实现了对整个可见光波段耦合共振的调控?；诼尤肷湮锢砥喑粱胩荻日诒蔚闹票讣际酰稍诰г卜段诘骺毓丶问?，因而特别适合潜在结构的筛选。最终获得数十亿个排列整齐的二聚体结构，其光谱特性在晶圆范围内呈现可控变化。通过对金二聚体结构的等离激元共振进行光谱测绘，证实其不仅与数值模拟光谱高度吻合，在环境条件下至少一年内仍保持功能稳定。
关键词： 掠射角沉积、晶圆级纳米制造、非对称阴影、纳米光子学、光学超材料、可扩展等离子体技术
更新于2025-09-12 10:27:22
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磷化铟膜上波导光子晶体反射器的特性研究
摘要： 我们在硅基磷化铟薄膜（IMOS）平台上展示了波导光子晶体反射器，以及精确测量这些反射器反射率的方法。通过电子束光刻在波导上图案化光子晶体孔，并将其蚀刻贯穿波导层以形成宽带分布式布拉格反射器。我们展示了这些反射器的仿真结果与制备器件的实验数据，两者均呈现出高且可自由调节的反射率，以及高品质因数的法布里-珀罗腔。实验表明，采用仅4微米长度的反射器可实现超过95%的反射率，并使法布里-珀罗腔获得高达15,911±511的品质因数。据我们所知，首次采用两种反射率测量方法对片上反射器进行表征以精确测定反射特性：第一种基于法布里-珀罗腔透射分析，第二种基于反射器的直接四端口测量。两种方法均存在系统误差，从而为实际反射系数提供了上下边界值。
关键词： 光子晶体、纳米光子学、光子集成电路
更新于2025-09-12 10:27:22
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[2019年IEEE欧洲激光与电光会议暨欧洲量子电子学会议（CLEO/Europe-EQEC）- 德国慕尼黑（2019.6.23-2019.6.27）] 2019年欧洲激光与电光会议暨欧洲量子电子学会议（CLEO/Europe-EQEC）- 光子带隙腔三维超晶格中的光学共振
摘要： 光在三维（3D）空间中的限制是纳米光子学中一个活跃的研究课题，因为它能实现对光子的终极控制[1]。实现这一目标的有力工具是具有定制缺陷的3D光子带隙晶体，该缺陷可作为腔体甚至波导[2]。当一维腔体阵列耦合时，会出现一种复杂的波导系统，称为CROW（耦合谐振器光学波导）[3]。值得注意的是，迄今为止尚未研究过在3D带隙内共振的耦合腔体3D超晶格。最近的理论工作预测了"笛卡尔光"的出现，其中光仅沿空间高对称方向跳跃传播[4]。这代表了适用于神经形态计算的自旋或电子安德森模型的光学类比，可能导致复杂的激光现象[5]。为了实验研究光在带隙腔体3D超晶格中的传播，我们通过反应离子刻蚀制备了硅基3D纳米结构（见图1）。该光子晶体具有立方金刚石型反木堆结构，由两组垂直孔道（X和Z方向）组成[6]，并展现出宽频3D光子带隙。通过刻意缩小两个相邻垂直孔道的尺寸，光在其交汇处被限制从而形成腔体[7]。通过制备两组缺陷孔道阵列（见图1），我们实现了3D腔体超晶格。本研究面临的挑战是实验识别这个复杂系统中的共振现象。我们采用大数值孔径（NA=0.85）测量了晶体对s偏振和p偏振光的反射率。该装置还能记录横向散射光（即沿Z方向入射、散射后从X方向检测的光）。在存在定向缺陷时，我们在反射率的阻带中观察到凹陷。相应的横向散射光谱显示阻带中与反射率凹陷相同频率处出现峰值（见图2）。为区分腔体共振与随机散斑，我们在晶体不同位置记录了多组光谱。在相同频率重复出现的峰值被归因于腔体共振散射光。散射峰的出现强烈依赖于偏振状态，这与数值计算结果一致[7]。我们现在将数值计算扩展到实验探测的孔径尺寸范围。
关键词： 纳米光子学、笛卡尔光、三维光子带隙、腔体超晶格、耦合谐振器光学波导
更新于2025-09-12 10:27:22
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基于微机电系统的硅光子集成器件与电路
摘要： 过去几十年里，光子集成电路的复杂度出现了显著提升。这一发展得益于数据中心通信领域的最新应用需求，并依托标准化成熟技术平台的可用性得以实现。在微纳尺度上对波导结构进行机械运动控制，为进一步提升光子集成电路功能并降低功耗提供了独特机遇。我们在此展示了基于IMEC标准iSiPP50G硅光子平台及定制释放工艺，在简化版硅光子流程中集成MEMS功能组件。
关键词： 微机电系统、光子集成电路、纳米光子学、集成光学、硅光子学
更新于2025-09-11 14:15:04
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[2019年IEEE欧洲激光与电光会议暨欧洲量子电子学会议(CLEO/Europe-EQEC) - 德国慕尼黑(2019.6.23-2019.6.27)] 2019年欧洲激光与电光会议暨欧洲量子电子学会议(CLEO/Europe-EQEC) - 亚波长AlGaAs/GaAs垂直发射纳米柱中光提取效率的显著增强
摘要： 将主动纳米光子器件（即纳米激光器和纳米发光二极管/nanoLEDs）缩小至深亚微米尺寸，对于实现未来紧凑型光子集成电路在光通信[1]及生物传感与生物成像应用[2]所需的小型化（<1 μm2）、低能耗（<10 fJ/比特）和高效率（>10%）光源至关重要。随着这些纳米级光源表体比急剧增大，强非辐射过程和光提取困难等因素已被证实会显著降低nanoLEDs和纳米激光器的外量子效率[3]。尽管学界已在光增强与出耦合方法（如二维光子晶体[4]、光学纳米天线[5]或集成光栅耦合器的纳米波导[3]）方面开展深入研究，但当发光结构尺寸缩减至深亚波长（<<λ/3）量级时，这些方案实施难度极大。 本研究报道了砷化镓衬底上垂直发射的未掺杂AlGaAs/GaAs/AlGaAs锥形柱体在发射标称面积缩小至亚微米尺度时（图1a），在λ~670 nm处呈现显著增强的信号。通过电子束光刻和干法刻蚀技术制备了横向宽度200 nm至8 μm的垂直发射柱体，并采用λ=561 nm激光激发的显微光致发光(PL)显微镜进行表征。图1b展示了光学泵浦微柱（上）与纳米柱（下）的发射图像实例（插图为对应强度分布）。微柱发光强度随直径减小呈平面LED典型的d2缩放规律递减；但当直径从4 μm缩减至0.2 μm（尤其在300 nm < d < 400 nm区间），尽管标称发射面积缩小超100倍，强度仅衰减约10倍——例如d=360 nm柱体的发射强度峰值及积分强度与d~1 μm柱体相当，这种显著偏离微柱d2依赖性的现象实现了27倍发光增强（图1c总结）。 针对d=360 nm锥形纳米柱的FDTD模拟（图1a底部）表明该增强源于三重效应：i) 横向尺寸减小抑制光学模式；ii) 高效空气耦合输出；iii) 锥形结构定向发射增强。值得注意的是，如图1c蓝圈所示，经(NH4)2S表面钝化及约50 nm SiO?介质封盖后发光性能可进一步提升，亚微米柱发光强度较未钝化样品提高3倍。总之，本研究实现了深亚波长垂直发射纳米柱的光提取效率大幅跃升，使纳米级器件获得媲美微米器件的明亮发光。结合表面复合抑制效应，该成果对开发低功耗光互连用高性能纳米光电器件、实现光子集成电路中室温高效光源具有重要价值。
关键词： 亚波长、纳米光子学、垂直发射纳米柱、AlGaAs/GaAs、光提取效率
更新于2025-09-11 14:15:04
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[2019年欧洲激光与电光会议暨欧洲量子电子学会议（CLEO/Europe-EQEC）- 德国慕尼黑（2019.6.23-2019.6.27）] 2019年欧洲激光与电光会议暨欧洲量子电子学会议（CLEO/Europe-EQEC）- 用于红外吸收光谱应用的全介质高Q值超表面
摘要： 中红外（mid-IR）光谱范围对生物体系的谱学研究至关重要，因其包含化学和生物分析物的特征吸收谱（即分子"指纹"），这些特征由化学键的振动模式及相应吸收带唯一决定。我们提出一种基于纳米光子学检测分子指纹的新方法，该方法采用成像技术实现无光谱仪操作，适用于分析复杂生物体系的微型化传感器设备。该技术的核心构建单元是像素化介电超表面，其中每个超像素单元被设计为在特定共振频率产生尖锐共振峰。每个超像素由特殊设计的锯齿形谐振器阵列构成，通过利用连续体束缚态原理实现高Q值共振。实验实现的超表面传感器通过检测重组蛋白A/G分子单层膜验证了其检测性能，该单层膜显示出特征性的酰胺I和酰胺II吸收带——表现为共振峰反射率衰减的特定区域。通过对比材料吸附前后所有超像素的总反射信号，可获得可用于化学特异性分子检测的独特条形码图案。重要的是，这种分子条形码方法在宽带照明和检测条件下运行，意味着无需光谱仪即可获取化学特异性信号。
关键词： 高Q值谐振、介电超表面、纳米光子学、分子编码、中红外、分子指纹
更新于2025-09-11 14:15:04
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利用光栅操控纳米光子波导中的二次谐波光束
摘要： 在纳米尺度上高效操控波前对光束发射、信号编码和非线性相位匹配等至关重要。衍射光栅虽被广泛用于调控光波波前，但主要应用于线性光学领域。本研究展示了利用光栅在纳米光子波导中灵活调控二次谐波（SH）光束的方法。通过光栅可使二次谐波信号的发射角从波导轴向收集锥方向偏转达60°，从而实现对高损耗波导中共传播模式原本不可检测的二次谐波的探测。共传播模式产生的二次谐波转换效率（3×10?? W?1）占总二次谐波信号的26.7%。当泵浦波长在770至840纳米范围内变化时，二次谐波光束可实现最大22°的偏转。该设计可作为纳米光子系统的非线性光栅耦合器，适用于高效非线性相干光产生及集成化非线性纳米光子学领域。
关键词： 傅里叶成像、纳米光子学、二次谐波产生、非线性光栅耦合器、光束转向
更新于2025-09-11 14:15:04
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2016年欧洲显微镜学大会：会议录 || 等离子体纳米结构的角度分辨阴极荧光偏振测量
摘要： 等离激元超材料和超表面能够在深亚波长尺度上调控光的传播、约束与发射。这类材料的光学特性大多编码于远场发射的光谱、角向强度分布及偏振态中。角分辨阴极荧光成像光谱技术（ARCIS）是研究这些特性的强大平台，它兼具纳米级激发分辨率与光谱及角向发射强度分布的测量能力。我们特别采用30千电子伏特电子束作为定义明确的宽带激发源——该光源对光学态密度敏感。该方法已用于研究多种介电和等离激元纳米结构的光谱与角向光学特性，但此前仅能测量发射强度而无法获取光发射的矢量偏振信息。发射偏振态蕴含着识别多极子、分离波导中横磁/横电模式、表征发射源相干性等宝贵信息。 本文展示了一种新型阴极荧光偏振测量技术，通过获取斯托克斯矢量（即远场发射的完整偏振态随角度变化关系）实现突破[1]。为此我们在光路中增设四分之一波片和线偏振片（装置示意图见图1），通过六组特定波片与偏振片角度组合测量重构探测平面内的偏振分布，经铝抛物面镜光学系统校正后最终获得发射偏振分布。该技术应用于单晶金基底聚焦离子束刻蚀制备的金质等离激元牛眼光栅（扫描电镜图像见图2(a)）。这些牛眼结构能相干耦合出电子束激发的表面等离激元极化激元（SPPs）。由于电子束位置可任意调节，我们得以研究不同激发位置的影响：中心激发时，光栅同相驱动形成符合对称性预期的方位角对称图案与径向偏振分布（图2(b-c)）；而偏心激发时则呈现显著复杂化的多瓣结构，角向空间出现圆偏振与线偏振交替区域。为验证手性结构适用性，我们进一步研究不同旋向螺旋牛眼，证实其手性特征反映在场分布中。通过测量具有垂直偶极源特征的径向偏振过渡辐射，验证了该偏振测量技术的有效性。这项工作为金属与半导体纳米光子结构的偏振测量开辟了道路，有助于深入表征和理解其光学特性。
关键词： 阴极发光、等离子体激元学、偏振、纳米光子学
更新于2025-09-11 14:15:04