【写作竞赛】科学家在介质/金属纳米复合光子学元件方面取得新突破

光子学器件具有电子学器件无法比拟的高速、高带宽和低能耗等优点,在光信息处理和光子学计算中扮演着非常重要的角色。如聚合物、无机半导体以及有机材料等传统的介质材料,常用来制备光子学器件,但这些器件受到衍射极限的限制,尺寸较大,难以实现其在集成光路中的应用。因此,减小光子学器件的尺寸,在纳米尺度下实现对光子的操纵具有非常重要的意义。金属纳米线表面的导带电子能够与电磁场相互耦合形成表面等离子体激元(SPPs),它可以打破衍射极限,实现光信号在亚波长尺度下传导,但金属纳米线具有很高的传导损耗,使全金属的集成光路难以实现。

于是研究者们提出,将介质波导与金属纳米线集成起来制备成复合体系,这样既具有介质材料的低损耗的优点又具有金属纳米线的亚波长传导的独特优势。目前的制备方法主要有光刻法和微操作法。前者成本高,制备过程复杂,且容易在金属纳米线表面残留下大量的光刻胶,产生额外的传导损耗。微操作法制备过程费时费力,不利于纳米复合材料的大量制备,且在这种搭建的复合结构中,介质波导与金属纳米线接触面积小,整体结构的机械稳定性不好,不利于光信号在波导之间进行稳定的耦合传导。因此,亟待寻找一种更为简单实用的方法来集成介质波导和金属纳米线。

中国科学院化学研究所光化学重点实验室的姚建年和赵永生研究组近年来一直致力于低维纳米光子学方面的研究,最近,在前期工作的基础上,通过气相有机分子的定点生长的方法制备出有机/金属纳米线异质结。制备得到的有机/金属纳米复合材料中,有机材料和银纳米线均为结晶结构,具有非常光滑的表面,在光信号的传导过程中,大大降低了光子和表面等离子体激元的传导损耗。利用有机单晶纳米线中的激子极化激元(EPs)与银纳米线中的表面等离子体激元(SPPs)的相互耦合作用,实现了亚波长尺度下的纳米光子学逻辑计算元件。由于体系中引入的有机介质波导是由具有很高发光效率的荧光小分子组成,这不仅起到降低光信号传导损耗的作用,同时也降低了产生光信号时所需要的能量,这对于实现低能耗的纳米光子学元件和集成光路具有非常重要的意义。

在此基础上,他们利用液相自组装的方法将多根银纳米线包埋在单晶的有机微米线中,制备出多枝的有机/金属纳米线异质结。基于光子与SPPs耦合效率的角度依赖关系,在亚波长尺度下对多光子信号进行操纵,实现了多输入多输出的纳米光子学复用器。这种方法制备的有机/金属纳米复合材料中,金属纳米线被包埋在有机介质波导中,机械结构非常稳定,有利于得到结构稳定的纳米光子学元件,使光在介质波导与金属纳米线之间能有效且稳定的耦合,提高元器件的性能。此外,通过这种方法制备的有机/金属纳米复合材料中,金属纳米线被包埋在有机介质波导中,金属纳米线与有机介质波导具有非常大的接触面积,可用来研究有机材料中的激子与金属纳米线的表面等离子体激元的相互作用,从而研究新的纳米光子学性质和纳米光子学元件。

利用这些方法制备得到的纳米复合材料以及用这些材料来实现纳米光子学元件的思路,不仅仅是科学家们的探索方向,也与我们未来的日常生活息息相关。目前各式各样的智能手机、笔记本电脑等电子产品丰富了我们的生活,甚至改变了我们的工作和生活方式,但是,我们总是希望这些电子产品具有更加强大的功能,具有更持久的电池。纳米光子学元件和集成光路的实现,或许可以让我们用上更小、更轻、功能更强大且更持久的新型智能手机和笔记本电脑。

 

作者简介:李勇军,男,2006-2010年就读于北京航空航天大学,取得理学学士学位。2010年至今在中国科学院化学研究所赵永生研究员的指导下,攻读博士学位(硕博连读),入学后主要从事有机/金属纳米复合材料的光子学性质研究。

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