基于耦合金属/电介质/金属纳米结构高激发效率电致表面等离子体激元源器件研究

Surface plasmon polaritons (SPP) with several special physical properties in the near field enhancement、subwavelength control and manipulate light and so on aspects, have important applications in integrated optics and biochemical sensing field; SPP source is one of the core device. Recently, the study of using the nanostructure of metal/dielectric/metal (MIM) electroluminescent coupled to excite SPP source has been focused on, but its lower excitation efficiency severely limits practical application. The metal layer is introduced in the intermediate dielectric layer of MIM structure as energy coupler forming new-style coupled MIM structure to solve the problem of low efficiency of SPP excitation in this project. The main contents include: ①Studying the physical mechanism of efficient electroluminescence, light coupled to excite SPP、SPP energy accumulation and coupled、low loss SPP transmission in the coupled MIM structure, which will provide theoretical guidance to design an electroluminescent SPP source device with high excitation efficiency; ②Studying the effects of materials and geometry parameters of coupled MIM structure on improving SPP excitation efficiency, optimizing its parameters; ③From the regulation of electricity-light-SPP in coupled MIM structure under nanometer scale, three kinds properties of electrical implantation, optical conversion and SPP extraction in the structural design of the device is considered as a whole, to achieve efficient SPP excitation and detection.

表面等离子激元(SPP)在近场增强、亚波长控制和操纵光等方面有特殊的物理性质，在集成光路和生化传感领域中具有重要应用价值；SPP源是其中的核心器件。最近，利用金属/电介质/金属（MIM）纳米结构电致发光耦合激发SPP源的研究备受关注，但因较低的激发效率严重限制其实际应用。本项目拟通过在MIM 结构中的中间电介质层中引入作为能量耦合器的金属层构成新型的耦合MIM 结构来解决SPP 激发效率低的问题。主要内容包括：①研究耦合MIM 结构高效率电致发光、光耦合激发SPP、SPP能量积聚与耦合、低损耗SPP 传输的物理机制，为设计高激发效率电致SPP 源器件提供理论指导；②研究耦合MIM结构中材料与几何结构等参数对提高SPP激发效率的影响，对其参数进行优化；③从耦合MIM 结构在纳米尺度下的电-光-SPP调控入手，在器件设计中综合考虑电注入、光转换和SPP取出三种特性，实现高效率SPP激发与探测。

SPP具有亚波长传播、操纵光和局域近场增强等方面特性，是微纳尺度下进行光子操纵和集成的优良载体。因而其在集成光路和生化传感领域中有重要应用价值；SPP源是其中的核心器件。本项目研究了基于MIM纳米结构高激发效率电致SPP源器件的物理机理和制作工艺。研究工作开展顺利，达到任务书研究目标的要求。在波导设计方面：①建立了MIM 纳米结构波导物理模型，分析其对称与非对称两种模式不同、光传输效率、损耗与波导各参数之间的关系，同时还分别提出了金属耦合和多介质层两个不同MIM波导结构；②分析该波导中对称SPP模式在水平方向传播和垂直方向的衰减特性，得到其在水平和垂直方向的衰减值分别为19和24纳米；发现其水平方向传播长度与中间介质层厚度有关，当厚度为100纳米，最大传播长度值为0.608微米；③首次提出了金属耦合MIM纳米结构波导并讨论其高效率电致发光、光耦合激发SPP、SPP能量积聚与耦合、低损耗SPP传输的物理机制，并分析了该波导结构参数和金属材料及其厚度参数对SPP源器件性能（如透射率和SPP激发效率）等影响，得到上下折射率衰减值为0.3。同时针对MIM纳米结构制备，讨论了该结构中材料与几何结构等参数对提高SPP激发效率的影响，对其参数进行优化，结果SPP激发效率提高了4倍。在SPP源制备方面：①研究了基于硅基MIM纳米结构波导的微加工工艺，在优化工艺的基础上制备了金-二氧化硅-金纳米结构；②采用二氧化硅和金材料，研究并优化了相应的镀膜、光刻、刻蚀等微加工工艺并制备了金-二氧化硅-金纳米结构波导。通过该项目的研究，建立了MIM纳米结构波导的理论基础，优化了SPP源的微加工工艺流程，并提出了一些新型亚波长SPP波导滤波器的结构，为SPP源在集成光电子芯片领域的应用提供了技术支撑。本项目实施以来发表论文23篇，期中SCI收录7篇，EI收录8篇。培养硕士研究生毕业9人。申请国家发明专利6项，其中授权2项，授权实用新型专利4项；项目组通过积极参与相关领域主流国际会议、邀请国内外专家访问等方式，与国内外同行进行了深入的学术交流与合作。