[发明专利]表面等离激元-光-电混合传导纳米异质结构及制备方法

说明书

本发明提出了一种表面等离激元‑光‑电混合传导纳米异质结构及制备方法，该结构包括：激励光源(1)，半导体纳米结构阵列(2)，二维表面等离激元微纳结构(3)，亚波长等离极化激元导波(4)，出射光波(5)，一维表面等离激元微纳结构(6)，导线(7)，金属电极(8)，导电基底(9)，探针分子(10)，原子力显微导电探针(11)和电压源(12)；该方法通过控制金属基底上游离金属离子、空气、水氧实现分布及密度可控的半导体晶种，实现晶种的高度一致化控制，接着通过续生长来严格控制半导体结构的长径比与分布。为研究光与物质相互作用所产生的各种新奇效应提供了新的纳米光学平台。

技术领域

本发明涉及纳米光学、纳米材料和集成光电子器件等领域，特别涉及一种表面等离激元-光-电混合传导纳米异质结构平台及其制备方法。

背景技术

近年来，高度集成化的电子芯片技术推动了电子工业技术的迅猛发展。人们对光学器件技术的集成化充满期待，希望实现光学器件系统和电子器件系统的兼容，构筑功能丰富的光-电子混合芯片系统，推动芯片技术的再次跨越式发展。然而，由于光学衍射极限的存在，光信号仅能被限制在微米尺度范围内传输，导致传统集成光学器件在单元尺寸和系统体积上都无法与高度集成的电子器件比拟。随着表面等离激元学研究的兴起，为光学器件技术集成化的发展提供了新的契机。与传统光波导相比，基于表面等离激元的波导对光的束缚能力更强，支持的模式光斑尺寸更小，从而极大提高了光学器件的集成度。

表面等离激元信号可由光信号激励起来，但是如何有效的将光信号转换为表面等离激元信号，进而实现光信号和表面等离激元信号的高效耦合传输，目前还是一个难题。实验研究表明，单纯利用透镜聚焦激发金属表面等离激元信号的效率仅为不到2％，因此需要引入一些辅助手段提高入射光的波矢，从而提高光波转化为等离激元的效率的方法。迄今为止，这些辅助手段，即可实现光信号和表面等离激元信号相互耦合传输的各种手段主要是分别制造出光波导器件与金属表面等离激元波导器件，并将两种器件相互靠近或焊接在一起，利用近场耦合效应实现光信号和表面等离激元信号的互联传递。或采用微纳加工技术结合薄膜沉积技术制造出介质和金属结构组成的异质结构器件。然而，这些方式制备出的光波导和表面等离激元波导器件在实现信号耦合时必将引入很大的插入损耗。产生损耗的原因包括：光学介质和金属结构的耦合界面处的粗糙度引起的散射损耗、各种镀膜、光刻和刻蚀等纳米加工工艺带来的材料缺陷等引起的波导侧壁散射损耗和端面散射等，无论是光信号还是电信号均无法实现有效传输，大大降低了器件的光学传输效率。此外，在工艺方法上，仍存在工艺复杂、成本高及无法实现大批量制备等瓶颈问题。因此，如何有效实现光-等离激元模式之间的有效低损耗耦合是当前亟待探索和解决的关键问题。

目前，国际上尚未有人实现直接将等离激元金属微纳结构与半导体光-电混合器件复合，从而实现三种等离激元-光-电耦合的模式。因此，本专利提出了一种表面等离激元-光-电混合传导纳米异质结构平台，通过将单晶的、原子平的等离激元和半导体材料直接复合，利用材料之间有效的晶格匹配，实现了真正意义上的零接触，大大降低了耦合界面处的传输损耗，为研究光与物质相互作用所产生的各种新奇效应提供了新的纳米光学平台。

发明内容

技术问题：本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提出了一种表面等离激元-光-电混合传导纳米异质结构及制备方法，该方法通过加水轮数来控制晶种的大小和密度，实现晶种的高度一致化控制。并通过续生长来严格控制半导体结构的长径比与分布。该种直接在表面等离激元金属微纳结构上生长疏密可控、长径比可控半导体结构的表面等离激元-光-电混合传导纳米异质结构平台在纳米材料、集成光电子器件领域具有重要应用。