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[交流]
复合等离激元纳米结构增强自发辐射的速率与方向性
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导读 辐射差方向性和慢速率长期限制了基于自发辐射机制的实际应用。为了克服上述两个缺陷，等离激元纳米结构受到广泛关注。清华大学和杜克大学的研究者，利用等离激元纳米腔的珀塞尔效应，实现了胶体量子点自发辐射的速率的增强。此外，他们依靠牛眼纳米结构的圆对称性，同时改善了自发辐射的单向性。这种多功能复合等离激元纳米结构将为发展超快单方向的单光子源提供了思路。该成果近日以题“unidirectional, ultrafast, and bright spontaneous emission source enabled by a hybrid plasmonic nanoantenna”发表在国际期刊《laser: photonics & reviews》上。 研究背景 通过将发射源置于具有修正态密度的光学腔中，发射源的自发辐射速率可得到有效的控制。当量子光源与腔光子间的耦合强度超过系统的量子退相干速率，自发辐射将被增强。光学腔和发射体间的耦合效应主要包括克尔效应、珀塞尔效应和拉比分裂。 其中，纳米腔的珀塞尔效应，近年来在基于等离激元纳米间隙增强自发辐射速率中获得广泛应用。值得注意的是，与典型的领结（bowtie）结构和纳米二聚体结构形成的水平纳米间隙相比，纳米贴片结构带来的纵向纳米间隙增强珀塞尔效应更明显。 除了自发辐射速率，决定单光子源的实际应用性能的，还有收集效率。而单光子源的方向性与其收集效率密切相关。等离激元纳米结构的波导模式，可以将入射光先耦合再重新辐射到一个特定的空间方向。牛眼结构是一种同心圆环结构，因其具备圆对称性，表现出优越的垂直于地平面的发射方向性。 在这之前，却没有一个设计可以同时增强自发辐射的速率和方向性。将等离激元纳米间隙和同心圆环结构集成在一个器件上，被视为一个可行的解决方案。 研究成果 研究者们将一个薄膜耦合的纳米立方体集成到一个牛眼天线上，形成一个立方体-牛眼复合等离激元纳米天线。胶体量子点cdse/zns 被嵌入到纳米立方体下的纳米间隙中后，在珀塞尔效应和再辐射的双重作用下，相对于玻璃基板上的量子点，自发辐射的速率被增强了420倍。同时，自发辐射的强度被增强了120倍。此外，考虑到多模光纤和单模光纤的典型数值孔径分别为0.5 和0.12，实验分别获得60%和21%的收集效率。 图1. 立方-牛眼混合等离激元纳米天线及实测光谱。a)混合等离激元纳米天线的三维示意图，该混合等离激元纳米天线由金膜上的金同心环和位于环中心的银纳米晶组成。纳米晶和金膜由直径约为10 nm的cdse/zns量子点单层膜分离。b)混合等离激元天线的暗场图像，其中中心的红斑对应于中心位置的纳米晶的散射;插图:立方体-牛眼混合等离激元天线的sem图像。c)蓝色:立方-牛眼混合等离激元天线的散射光谱;红色:曝光时间为1秒的混合等离激元天线的量子点荧光光谱;棕色:曝光时间30秒的金靶心结构的荧光光谱，不含银立方体;插图:天线的sem图像，在金环的中心有(红色的插图)和没有(棕色的插图)一个银色的纳米晶片。d)在玻璃上(蓝色)、裸金膜上(棕色)、银纳米晶与金膜之间的纳米间隙(红色)等不同参考样品的荧光光谱，曝光时间为1s。测量的银纳米晶的散射光谱如图所示为黑色曲线，其共振波长与量子点的发射波长相匹配。  640.jpg [ Last edited by supernatural on 2020-4-2 at 12:24 ] |
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