基于硅和砷化镓纳米球和纳米柱的纳米光子功能器件

Silicon (Si) and gallium arsenide (GaAs) are considered as the most promising candidates for the construction of metamaterials operating in the visible to near infrared spectral region owing to their large refractive index and low loss in this wavelength region. This project focuses on the nanophotonic functional devices based on Si and GaAs nanospheres and nanocylinders and its research concents include : (1) Fabrication and characterization of Si and GaAs nanospheres and nanocylinders; (2) Linear and nonlinear optical properties of single Si and GaAs nanospheres and nanocylinders; (3) Linear and nonlinear optical properties of the arrays composed of Si and GaAs nanospheres and nanocylinders; (4) Linear and nonlinear optical properties of the systems composed of Si and GaAs nanospheres and thin metallic films; (5) Design and fabrication of the nanophotonic functional devices based on Si and GaAs nanospheres and nanocylinders. The goal of this project is to design and fabricate nanophotonic functional devices based on the arrays composed of Si and GaAs nanospheres and nanocylinders or the systems composed of Si and GaAs nanospheres and thin metallic films, providing theoretical and experimental guidelines for the research and development of metamaterials and Si-based emitting devices operating in the visible to near infrared spectral region.

硅和砷化镓由于在可见光和近红外波段具有较大折射率和较低损耗被认为是构建该波段特异材料的最佳选择。本项目主要围绕硅和砷化镓纳米球和纳米柱开展以下研究工作：（1）单晶硅和砷化镓纳米球（柱）的制备及评价；（2）单个硅和砷化镓纳米球（柱）的线性和非线性光学性质；（3）硅和砷化镓纳米球（柱）阵列结构的线性和非线性光学性质；（4）硅和砷化镓纳米球-金属薄膜系统的线性和非线性光学性质；（5）基于硅和砷化镓纳米球（柱）的纳米光子功能器件的设计与制备。目标是在弄清单个硅和砷化镓纳米球（柱）、纳米球（柱）阵列结构以及纳米球-金属薄膜系统的线性和非线性光学性质的基础上，设计和制备基于硅和砷化镓纳米球（柱）阵列结构和纳米球-金属薄膜系统的无源或有源纳米光子功能器件，包括偏振光分束器/转换器/衰减器、表面等离子激元波长解调器以及纳米激光器等，为可见光和近红外波段特异材料及硅基纳米发光器件的研制提供理论和实验参考。

本项目计划开展基于硅和砷化镓纳米球（柱）的光子功能器件，主要研究内容包括：（1）硅和砷化镓纳米球（柱）及其阵列结构的制备和评价；（2）单个硅和砷化镓纳米球（柱）的线性和非线性光学性质；（3）硅和砷化镓纳米球（柱）阵列的线性和非线性光学性质；（4）单个硅和砷化镓纳米球与金属薄膜的相互作用；（5）基于硅和砷化镓纳米球（柱）的光子功能器件的设计与制备。本项目取得的主要研究成果包括：（1）利用飞秒激光烧蚀和退火技术，成功制备了砷化镓单晶纳米球，在散射谱中观察到电磁偶极共振；采用飞秒激光脉冲激发砷化镓纳米球的磁偶极共振，观察到有效的热电子带内荧光和二次谐波发射；测量了砷化镓纳米球非线性响应的激发谱，发现其峰位与磁偶极共振对应。（2）利用硅纳米颗粒支持的米氏共振在硅纳米球中注入高浓度的载流子，通过俄歇效应大幅延长了载流子的驰豫时间，利用电磁四极共振加速了载流子的辐射复合，将体硅材料的量子效率提升了将近5个数量级，获得了有效的热电子带间荧光发射；采用电子束曝光和离子刻蚀制备了硅纳米柱，采用上述策略点亮硅纳米柱。（3）利用硅纳米球球在飞秒激光脉冲激发下发出的热电子荧光，成功地观察到硅纳米球磁偶极共振在注入载流子后发生的蓝移，并且在热电子荧光的激发谱中得到证实；在较高的激发能量密度下，观察到硅纳米球荧光量子效率的快速提升。（4）利用倐逝场激发硅纳米球，发现其支持的电磁偶极子的取向可以通过入射光的偏振状态进行操控，从而实现了对硅纳米球散射光颜色的动态操控；利用电子束曝光和离子刻蚀，制备了周期接近光学衍射极限的硅纳米柱阵列结构，实现了高空间分辨的彩色显示及其偏振操控；（5）采用金膜表面的等离子激元波激发硅纳米球，利用硅纳米球的镜像磁偶极与表面等离子激元波干涉，在散射谱中观察到法诺共振；发现法诺共振线型可以通过硅纳米球的尺寸或者激发光的入射角进行调控，实现了纳米彩色显示；利用法诺共振线型对周围环境敏感的特征，实现了超高灵敏的折射率传感；发现在硅纳米球和金膜的间隙存在超强的局域电场，且对称的法诺线型具有最大的场增强因子；（6）研究了硅纳米柱和银膜复合结构支持的光学模式的演变，发现该复合结构同时支持两种连续阈中的束缚态（BIC），即对称保护型BIC和干涉型BIC；发现对称保护型BIC的电场主要局域在硅柱中，而干涉型BIC的电场则局域在硅柱与银膜的间隙中；这两种BIC模式都具有较高的品质因子。