导读

    近日，四川大学物理学院王卫研究员课题组在一维金属沟槽阵列量子尺寸效应下表面等离激元激发特性方面取得进展，实验上制备了一种一维金沟槽阵列，沟槽底部具有几个纳米宽的间隙，利用可见-红外宽带微区光谱表征手段，详细研究了量子尺寸效应下，该结构中表面等离激元的激发和光谱特性，并探究了其在纳米聚焦和折射率传感方面的应用。研究成果“Spectroscopic study of gap-surface plasmons in ametallic convex groove array and their applications in nanofocusing and plasmonic sensing”发表在物理领域国际著名期刊Physical Review B上。第一作者是该团队的李代敏博士，合作者是英国南安普顿大学欧俊裕（Jun-Yu Ou）博士。

研究背景

    金属沟槽结构是表面等离激元光子学领域非常常见和广泛研究的对象。不同形状的沟槽组成的锥形纳米沟槽可以激发间隙表面等离子体(Gap-surface plasmon，GSP)。GSP具有比普通SP模式更优越的特性，因为它具有纳米聚焦能力，可以引导并局域电磁场¹、提高异常光透射现象(EOT)²以及高效的光吸收^3，4 。这些独特的GSP特性可能有助于设计先进的功能器件，如超紧凑的光子组件、高效的宽带光吸收器和增强EOT滤波器。

    然而，虽然很多工作对GSP特性进行了系统的理论和实验研究，但只有少数研究集中在凹槽底部具有超细轮廓的槽阵列的光学响应上。详细的光谱表征，特别是沟槽底部间隙宽度对光谱响应的影响尚未见报道。

创新研究

    课题组利用可见-近红外(VIS-NIR)微区光谱测量技术，详细研究了具有超窄底部宽度的一维沟槽阵列的GSP激发特性。详细分析了超尖锐沟槽的沟槽形状对于GSP二阶和三阶模式的影响。实验和理论证明：沟槽底部窄底部宽度对GSP共振位置和纳米聚焦能力起着至关重要的作用。实验观测到的GSP共振相对于模拟结果的谱移，是量子尺寸下（小于5nm），局部电流和不完美界面上电荷的非经典微观行为所产生的非局部效应。此外，利用沟槽阵列，实验上证明了在VIS-NIR范围内一个双波段的折射率传感器。

    课题组的研究对象是基于一个一维超尖锐锥形沟槽纳米阵列结构(图1a)，它会激发一种GSP模式。根据光谱特征，文章主要针对GSP的二阶和三阶模式进行讨论。证明了沟槽的槽边形状对光谱的影响并不明显(图2a)。更重要的是根据实验和模拟的光谱，文章首次讨论了在槽底宽度极小的情况下，底部宽度对于光谱的存在至关重要的影响(图2b、2c)。

图1 (a)金属锥形槽阵列三维示意图。(b)样品扫描电子显微照片。(c)放大的样品沟槽图像。

图2. (a)不同沟槽槽边轮廓对应反射谱，(b)(c)不同沟槽底部宽度对应的反射谱。

    课题组在不同沟槽深宽的两个样品上对比了其反射谱和场增强(FieldEnhancement, EF) 曲线(图3a、3b)，发现以下特点：(1)明显的场增强发生在二阶GSP共振处，其最大增强因子达到80；(2)在三阶GSP共振处FE谱线显示明显的下降，而不是峰值；(3)FE对沟槽底部的宽度非常敏感。

图3. (a)(b)不同样品的场增强(FE)和反射谱。(c)(d)不同样品的模拟电场分布。 

图4. 样品1不同环境折射率实验测出的反射谱(a)、模拟得出的反射谱(b)、实验与模拟的共振峰对比(c)。样品2不同环境折射率实验测出的反射谱(d)、模拟得出的反射谱(e)、实验与模拟的共振峰对比(f)。

    文章讨论了沟槽阵列在高集成折射率传感器中的应用。实验上测量了两个样品不同环境折射率下的反射光谱（图4a，4d），并结合理论计算（图4b,4e）定量分析了沟槽阵列的双波段折射率传感性能。

总结

    GSP是一种独特的等离激元共振。期望通过本工作的实验结果和理论分析，有助于提高研究者们对此类沟槽结构中激发的GSP特性的理解，以及促进它们在纳米聚焦、光吸收和传感中的实际应用。

参考文献

1. D. K. Gramotnev and S. I. Bozhevolnyi,Nature Photonics 8, 14(2014).

2. T. Søndergaard, S. I. Bozhevolnyi, S. M. Novikov, J. Beermann, E. Devaux and T. W. Ebbesen, Nano Letters 10, 3123 (2010).

3. T. Sondergaard, S. M. Novikov, T. Holmgaard, R. L. Eriksen, J. Beermann, Z. Han, K. Pedersen and S. I. Bozhevolnyi, Nature Communications 3,969 (2012).

4. S. Raza, N. Stenger, A. Pors, T. Holmgaard, S. Kadkhodazadeh, J. B. Wagner, K. Pedersen, M. Wubs, S. I. Bozhevolnyi and N. A. Mortensen,Nature Communications 5, 4125 (2014).

文章链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevB.103.245404

本文转自：https://mp.weixin.qq.com/s/iu64UFOa69nQD_UzLUU2fA

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