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    我國學者在鈉基等離激元器件研究領域取得新進展

    日期 2020-06-12   來源:工程與材料科學部   作者:陳克新 熊杰  【 】   【打印】   【關閉

    圖. 金屬鈉薄膜的制備(上)與鈉基等離激元紅外光子器件性能(下)

      在國家自然科學基金項目(批準號:51925204、11621091)等資助下,南京大學朱嘉、周林、祝世寧團隊與北京大學馬仁敏等研究組合作,在鈉基表面等離激元材料與光子器件研究領域取得新進展。研究成果以“穩定且高性能的鈉基近紅外等離激元器件(Stable, high performance sodium based plasmonic devices in the near-infrared)”為題,于2020年5月27日在線發表在《自然》(Nature)雜志上。論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41586-020-2306-9。

      金屬表面等離激元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,在微納光子學與集成光子器件領域具有廣闊的應用前景。目前,常用金、銀等貴金屬材料具有穩定性好的優點,但本征損耗高、成本高,從而使貴金屬等離激元器件走向應用面臨巨大挑戰。長期以來,尋找光頻段低損耗的金屬材料受到研究人員的持續關注。與貴金屬相比,以鈉為代表的堿金屬材料接近理想自由電子氣模型、帶間躍遷損耗小,且理論上具有更低的光學損耗。然而,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鮮有報道。

      該研究團隊運用高效、低成本的液態金屬旋涂工藝結合可控冷卻技術,成功制備了低損耗、高質量金屬鈉結構。受益于更長的載流子壽命,制備出的鈉基等離激元波導在近紅外波段的傳播長度超過200微米,其品質因數亦明顯優于傳統的貴金屬基波導的品質因數。在此基礎上制備的鈉基通訊波段激光器在室溫下的光泵激射閾值僅為140千瓦每平方厘米,該閾值是目前同類等離激元納米激光器室溫激射的新低閾值。

      以鈉為代表的堿金屬在近紅外波段展現出了優異的等離激元特性,這為探尋低損耗的等離激元光子材料提供了新的思路。低損耗、高性能的鈉基等離激元器件的成功制備為光學集成芯片等應用打下了堅實的科學基礎。




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