纳米光子学和材料.doc

纳米光子学材料与器件的研究进展张俊喜*，张立德中国科学院固体物理研究所，中国科学院材料物理重点实验室， 安徽省纳米材料与技术重点实验室，合肥 Email: jxzhang@issp.ac.cn 收稿日期：2011 年 3 月 23 日；修回日期：2011 年 4 月 6 日；录用日期：2011 年 4 月 7 日摘 要：介绍了纳米光子学的研究范畴，综述了纳米光子学材料和器件的研究动态和热点，着重阐述了 基于量子限域效应、光发射、表面等离子体激元和周期性结构纳米光子学材料和器件的研究进展。 关键词：纳米光子学；纳米光子学材料；纳米光子器件；量子限域；光发射；表面等离子体激元；光子 晶体；纳米线栅偏振器1. 引言随着人类对信息永无止尽地追求，信息的传输和 处理速度越来越快、数据存储密度越来越大已成为必 然趋势。预计到 2015 年光纤传输系统的数据速率高 达 10 Tb/s， 这就要求光子器件的尺度进一步减小并最 终突破光的衍射极限而达到亚波长甚至纳米尺度。既 然传统的光子器件对光的操纵受到光的半波长衍射 极限的限制，因此探索光与物质在纳米尺度上相互作 用的新原理、制备纳米光子学材料、构筑纳米光子器 件以及发明纳米光子学制造技术将面临着新的挑战 和机遇。Copyright ? 2011 Hanspub纳米光子学是研究在纳米尺度上光与物质相互 作用的科学与技术，在纳米尺度上实现对光子的操纵 和光学器件的构筑是纳米光子学的研究目标。纳米光 子学不仅为研究在小于光波长的尺度上光与物质的 相互作用过程提供富有挑战性的机遇，而且为纳米光 子学材料在光子器件、纳米医学、纳米生物学等方面 的应用创造了新的空间，同时为在更小尺度上的光学 制造技术开辟了一条新的途径。人们对这种科学探索 和技术发明的不断追求就是在逐步实现 Richard P. Feynman 的预言：“在下面尺度有大量的空间。”[1] 作为一个新的前沿领域，纳米光子学已经引起了世界APP10张俊喜等 | 纳米光子学材料与器件的研究进展 Table 1. Category and content of nanophotonics 表 1. 纳米光子学内容分类范围内的广泛关注和极大兴趣。纳米光子学主要分为 以下三个部分[2,3](表 1)。一是在纳米尺度上限制物质。在纳米尺度上构筑 物质结构为控制材料的光学和电学性能提供了强有力 的工具，已成为材料科学研究的前沿领域。通过选择 不同类型的材料和控制材料的局域结构(如形貌和尺 寸等)可以实现对光学性能的调控， 不仅体现在线性光 学而且在非线性光学中出现很多新奇的现象。例如， 可以控制光学共振和局域场相互作用，通过控制局域 声子态密度来操纵激发动力学以及通过控制结构之间 的相互作用影响能量转换等。 二是在纳米尺度上限制波的辐射。传统光学研究 的是光在远场空间的行为，由于光的衍射限制，所获 得的光学信息是在宏观区域内的平均响应。近场扫描 光谱(NSOM)和光子扫描隧道谱(PSTM)突破了光的衍 射限制因而使得在纳米尺度上探测局域光场和研究近 场区域光与物质相互作用成为可能。而且近场光学技 术提供的高精度和高分辨将会在纳米光子学加工和制 造中扮演重要角色，例如将锥形光纤探针涂上金属， 光可以从远小于入射光波长的光纤探针尖端上发射而 实现隧穿。 三是在纳米尺度上的光学加工。驱动未来工业应 用需求的一系列光学加工技术越来越受到关注，包括 集成电子线路，集成光电子耦合，表面处理，数据存Copyright ? 2011 Hanspub储等。这些应用必然要求大幅度提高光学处理技术的 精度和分辨率。传统光学加工器件的空间分辨依赖于 光源的光斑尺寸而受到衍射极限的限制，而在纳米尺 度上的光学加工不受这些限制而可以实现高精度和 高分辨，同时可以为设计纳米光子结构和功能单元以 及纳米结构器件提供一条行之有效的途径。2. 基于量子限域效应的纳米光子学材料由于半导体量子点的尺寸小于其激子波尔半径， 所激发的电子与空穴的库仑相互作用很弱并形成各 自能级，这使得半导体量子点有类似于原子分立能级 的特征， 因此可以产生窄线宽的荧光发射(线宽可以小 于 KBT)和高的荧光发射效率， 从而显示出很强的量子 限域效应。量子点的荧光可以通过单激发态[4-8]、双激 发态[9,10]和多激发态[11,12]跃迁来实现。 既然尺寸分布不均匀会导致光发射谱加宽，要实 现这种窄的荧光发射特性就需要制备尺寸分布均匀 的高质量的量子点或单个量子点，目前的工作主要是 围绕这方面展开的。 如所制备的高质量直接带Ⅱ-Ⅵ族 半导体量子点(CdSe [ 1 2 - 1 9 ] , CdS [ 1 1 ] , CdTe [ 2 0 , 2 1 ] , CdSe/Zn