Plasmonics for Light Confinement (3)
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发布时间：2024-09-11 01:03
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时间：2024-09-11 02:54
这篇文章我们将继续介绍利用表面等离激元效应实现光场的局域。
2006年的一项PRL工作[1]利用金属-介质-金属（MIM）结构（文章中称其为a nanosheet plasmon cavity）实现了光场的超高密度局域：光被“压缩”至3nm x 55nm的微腔，如图1所示。这一实验结果证明了plasmonic器件可以在两个维度上实现超衍射极限尺寸下的集成。
接下来简单介绍一下器件背后的理论。
在 Plasmonics for Light Confinement (1)和 Plasmonics for Light Confinement (2)中我们说明了单界面（即金属-介质情形）下光场在垂直界面方向上的局域特性。于是我们很自然地想到，多个界面情形下光场的局域又会发生什么变化呢？
实际中，金属（介质）材料的厚度不可能是理想的无穷大。我们这时就必须考虑多界面情形带来的影响了。如果金属（介质）材料厚度小于光场在金属（介质）材料中的束缚/衰减距离[公式] 时，每一个界面上产生的SPPs模式便会相互作用形成耦合模式[2]。介质-金属-介质（IMI）和金属-介质-金属（MIM）是最简单的多界面情况下的两个例子。对这两种情形的研究已经很多，这里只对MIM做一介绍。
类似单界面情形，我们可以从电磁场边值关系求得MIM结构的色散关系，具体推导可见[2，3]。下面给出基本
随着MIM结构中介质层厚度的不断减小，色散曲线偏离真空中色散曲线【 [公式] 】程度越大，如图2所示。这意味着在相同条件下，SPs的波矢更大，其在不同材料中垂直界面方向上的束缚（衰减）距离越小，实现对光场的有效局域。
下面说说该结构的制备。
1.镀膜 用磁控溅射（magnetron sputtering）的方式在Fused silica衬底上分别沉积Au(150nm)-SiO2(56nm/14nm/3.3nm)-Au(150nm)。
溅射是物理气相沉积（PVD）的一种。原理是靶材受高能粒子轰击产生原子溅射，并进一步沉积在基片上。这一步骤没什么好说，主要是控制每一层的镀膜时间以获得所需厚度的薄膜。这对镀膜工艺的均匀性要求较高。这种均匀性不仅包含单次镀膜的面内均匀性，还包括了前后镀膜的次间均匀性。为什么采用溅射镀膜（而不采用同为PVD的蒸发镀膜）呢？以我个人之见，一方面是由于溅射镀膜的致密性相对蒸镀更好，膜厚控制相对蒸镀更易，另一方面也是因为高熔沸点的SiO2介质膜不适于热蒸镀。
从图1的透射电镜图片可以看到3nm厚的SiO2层还是比较粗糙的。或许用原子层沉积（ALD）更好，这样可以减小因膜层粗糙度引起的SPP散射损耗。
2.刻蚀 用聚焦离子束（focus ion beam，FIB）制备出所需尺寸的nanosheet结构。
不同于结合物理和化学反应过程的干法刻蚀，FIB刻蚀是一种纯物理轰击引起的刻蚀。其工作原理有些类似溅射镀膜中靶材的溅射过程，但所用的离子束斑更小以便雕刻出更细的结构。为什么用FIB呢？原因就是FIB是一种无掩膜的图案直写技术，用起来“简单粗暴”，相比光刻+刻蚀+沉积工艺，整个器件的加工流程更为简洁。其容易造成样品损伤的缺点在该器件制备上也不那么“致命”。
