亚纳米尺度的表面等离子体量子隧穿机理与可控调制研究

The observation of quantum tunneling based on surface plasmon breaks through the classical electromagnetic theory, and plays an important role for the development of plasmonic quantum device. However, there is no clear theory explanation on plasmonic quantum tunneling, and there is no suitable modulation method and near field detection tool. We propose the concept of using strong electric field to modulate quantum tunneling and detect the scattering spectra in far field. The coupling mechanism between surface plasmon, electric field, and tunneling current will be studied, and the relationship between geometrical parameter and tunneling current will be systematically investigated. Therefore, the model about surface plasmon tunneling effect will be built. The plasmonic structure with nanoscale feature size will be fabricated through combing the AFM manipulation and self-assembly method. The modulation method of localized electric field based on micro-capacitor will be studied, and the electrical modulation will be verified experimentally. The results by this proposal have a significant role for the development of quantum switch and waveguide.

亚纳米尺度表面等离子体量子隧穿效应的发现，突破了经典电磁理论的认知范畴，为发展新型量子光学器件提供了重要的依据。然而，目前对亚纳米尺度表面等离子体量子隧穿效应的机理尚不清晰，且缺乏有效的调控方法和近场探测手段。本项目提出利用电控调制量子隧穿的远场散射光谱探测技术，揭示外加电场、隧穿电流与表面等离子体之间的耦合过程，系统研究金属结构几何参数与隧穿电流的关系，发展亚纳米尺度表面等离子体量子隧穿效应模型；进一步发展基于原子力显微镜的探针微操控技术，结合限域自组装工艺，进行亚纳米特征尺寸复杂金属结构的精确制备；探索基于微电容的局域电场控制方法，对量子隧穿效应的可控调制进行实验验证。本项目的实施对发展新型量子光开关、量子波导等具有重要意义。

针对项目书设定的研究内容和研究目标，聚焦于表面等离子体量子隧穿效应现象、结构设计与制备、器件制备与表征等研究。取得了结果如下：分析了等离子体量子隧穿机理，并修正了量子理论模型；基于量子隧穿与远场散射谱之间的关系，发展了量子隧穿结构的设计方法，并确定了纳米棒、三维五聚体等几种具有隧穿调制效果的纳米结构参数；发展了电子束直写与原子力微操控结合的表面等离子体结构制备新工艺，结合电极以及离子胶制备工艺，实现了表面等离子体电控调制器件的良好制作；基于暗场显微镜光谱测试系统，开展等离子体共振实时测试实验，实现了电场对隧穿电流的动态调控，并结合数值模拟，估算了电场调制引起的转移电荷量的变化，证明了电场调控对等离子体隧穿电子浓度的改变。此外，开展了表面等离子体隧穿效应的应用研究，设计了基于隧穿效应的光电探测器件，理论和仿真结果证明了该探测器能够突破传统半导体器件的禁带限制，为宽波段和高速探测提供新方案。已经完成了当初设定的研究任务。