纳米光学器件特性

美国斯坦福大学纳米电子学与光子学小组的Brongersma教授的研究主要集中在纳米尺寸的电子和光学器件的制造和表征。在这一领域，Brongersma教授正在探索金属纳米结构的光学特性。这些结构利用金属表面等离子体激发的独特特性，提供了在比入射光子波长小得多的尺度上传输、限制和操纵光的可能性。

金属纳米结构具有良好的电子和光学性质

对于纳米技术的未来发展来说，提供允许受控信息和能量在纳米级传输的通信通道是至关重要的。设计一个密集的电子互连网络，将大量的纳米级设备连接在一块芯片上，并不是一件简单的任务。金属互连节距和横截面的减少会引起局部加热和互连结构RC时间常数(延迟)的增加。

光互连不存在这样的问题。此外，由于其较高的工作频率，光互连具有更高的信息承载能力。遗憾的是，传统的光学互连不能很好地缩小规模。介质光学元件的尺寸减小基本上受到光的衍射极限的限制。提供一种机制，使单个纳米器件的光学互连超越衍射所设定的限制，将极大地扩展纳米结构的信息处理能力。

金属纳米结构通常具有精确的电子和光学性质的组合，以解决这些问题，实现显著更快的加工速度的雄心。铜和铝是电气互连中常用的金属;这些金属允许激发表面等离子体极化子(SPPs)。spp是沿金属-介质界面传播的电磁波，并与金属中的自由电子耦合。

利用WITec扫描近场光学显微镜研究SPPs

Brongersma教授团队使用WITec扫描近场光学显微镜alpha300s对这些SPPs进行研究。斯坦福大学的纳米电子学和光子学小组已经将alpha300s改造成一个光子扫描隧道显微镜(PSTM)，用于等离子体波导的实验。在PSTM中，SPPs可以沿着金属结构被激发，或者通过使用显微镜物镜将激发激光聚焦在结构上而相互连接。利用微加工的WITec snom -悬臂探针，可以对SPPs的传播进行成像。这些探针有一个亚波长孔径(直径约50纳米)在一个中空的金字塔尖端，光可以通过它散射，收集，然后定向到一个光电探测器，如光电倍增管。探测到的信号可以测量尖端下方的局部光强，通过扫描尖端覆盖金属表面，就可以成像spp的传播。alpha300s的光学分辨率在50-100 nm范围内。

图1所示。a)利用FIB制备了Bragg光栅的Au薄膜的SEM图像。(b) SPP波沿金属薄膜向布拉格光栅发射的PSTM图像。SPP从布拉格光栅的背反射导致了驻波干涉图的观测。

SPP波长用WITec alpha300s直接确定

如图1a所示，alpha300s在PSTM模式下的工作可以通过研究SPPs在一个有图案的Au薄膜上的传播来演示。利用聚焦离子束(FIB)定义了一系列平行槽，作为反射SPP波的布拉格光栅。如图1b所示是SPP波在780 nm波长的激光激励下，指向布拉格光栅的PSTM图像。

在图像中，SPP从光栅的背反射导致观测到的驻波干涉图样。从这种类型的实验中，SPPs的波长可以用一种简单的方法确定，并与理论进行比较。

在SiO上生成55nm厚的金条纹₂玻片宽度为50 nm ~ 5 μ m，采用电子束光刻技术。金条纹是理想的基本波导传输研究，因为它们不氧化，易于制造，并表现出与Al和Cu相似的等离子体响应性质。如图2a所示是一个典型器件的光学显微图，该器件由一个大的金区域组成，spp可以从该区域发射到不同宽度的金属条纹上。

插图描绘了250纳米宽条纹的扫描电子显微镜(SEM)图像。红色箭头示意了光如何从聚焦的激光光斑发射到1µm宽的条纹。SPPs在780 nm激发下沿3.0µm、1.5µm和0.5µm宽Au条纹传播的PSTM图像如图2b、2c和2d所示。为了将信号传输到几十微米，可以使用3.0微米宽的条带。

图2。(a) SiO的光学显微镜图像₂由电子束光刻产生的一个大型发射台上附着一排金条纹的衬底。红色箭头表示SPP发射到1微米宽的条内。(b、c、d) SPPs在780 nm激发下沿3.0µm、1.5µm和0.5µm宽Au条纹传播的PSTM图像。

利用alpha300s直接在等离子体结构和器件中成像SPP传播

在PSTM模式下使用alpha300s，可以直接在等离子体结构和更复杂结构的器件中成像SPP传播，以确定它们的行为。这与光子器件的典型表征过程相对不同，在这种过程中，器件被视为带有输入和输出端口的黑盒子。在这种情况下，设备的操作是由输出端口对输入端口提供的各种刺激的测量响应推导出来的。PSTM提供了一个明显的好处，它提供了一种直接的方法来查看电浆子器件的内部工作，使我们可以一目了然。

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