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Nano Lett.：金属碳纳米管纳米腔：超紧凑和低损耗法布里-珀罗等离激元谐振器
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01 导读 近日，加州大学伯克利分校的科学家发表题为“Metallic Carbon Nanotube Nanocavities as Ultracompact and Low loss Fabry−Perot Plasmonic Resonators”的研究文章。等离激元共振结构通常利用金属纳米材料来实现，但是它们在中红外和远红外波长的性能有所欠缺。在本研究中，研究者通过扫描探针光刻技术将金属单壁碳纳米管(SWNTs)定制为超净纳米腔，并通过红外纳米成像研究这些纳米腔中的等离激元模式。他们发现基于SWNT纳米腔的等离激元谐振器的光局域能力接近等离激元光局域极限。该文章发表在国际期刊《Nano Letters》上。 02 研究背景 表面等离激元的光局域能力远远超出了常规光学器件的衍射极限。等离激元谐振器利用了这些独特的功能，在纳米级光-物质相互作用的操纵中显示出巨大的潜力。目前，基于贵金属纳米结构的等离激元谐振器通常在可见光和近红外范围内工作；但它处于两难境地：光场局域能力和朗道阻尼造成的损耗之间存在折衷。 金属单壁碳纳米管（SWNT）中的拉廷格液体（Luttinger liquid）等离激元不受朗道阻尼的影响。最近，人们已经观察到并证明了金属单壁碳纳米管在红外频率下，量子等离激元具有低色散、深亚波长局域（模式体积 < 10-8 λ03）和高品质因子。 03 研究成果 研究证明了金属SWNT纳米腔可充当超紧凑和低损耗的法布里-珀罗（Fabry-Perot）等离激元谐振器，并具有出色的可调性。通过扫描探针光刻（SPL）将长的金属SWNT修整成不同尺寸的超净纳米腔，然后用光谱分辨红外纳米成像探测研究不同纳米腔中的等离激元模式。研究人员发现SWNT纳米腔中的等离激元模式对腔长度和激发波长非常敏感。当将等离激元波长调整为与腔模共振时，可以看到详细的模态演化。这些高质量的等离激元谐振器有望在纳米光子电路中作为超紧凑组件。 04 图文速览 图1. 单壁碳纳米管的红外纳米成像和扫描探针光刻。（a）单壁碳纳米管的红外纳米成像示意图：用可调波长在11.1至9.5 μm范围内的量子级联激光器（QCL）照射镀金的AFM尖端，来自尖端样品系统的反向散射信号会从样品上携带基本的等离激元信息。沿着纳米管尖端扫描，可以在真实空间中可视化纳米管中的等离激元模式。（b）扫描探针光刻的示意图。高频交流电压施加在尖端和基板的导电Si层之间，碳被尖端和纳米管之间产生的含氧自由基氧化而被腐蚀掉。（c）代表性单壁碳纳米管的绘测图。管M是金属SWNT，而管S是半导体SWNT。（d）对应于（c）的近场图像。金属纳米管M表现出显著的等离激元振荡，而半导体纳米管S几乎没有近场响应。（e）纳米光刻后单壁碳纳米管的形貌。纳米光刻形成了长度约100 nm的SWNT纳米腔。（f）是图（e）对应的近场图像。纳米腔中的等离激元模式和剩余的长纳米管在真实空间中可视化。红外纳米成像的激发波长为10.6 μm。面板c-f与（c）中的比例尺相同 图2. 实验和模拟的等离激元共振响应比较。（a）假设恒定幅度的等离激元波在沿纳米腔的位置处被局部激发。该波将在两个方向上传播，并被两端来回反射并加在一起以产生集体共振响应。在沿腔的不同位置重复求和，可以记录振幅曲线与位置的关系。（b）纳米管腔A从11.1至9.5μm的近场图像的实验线轮廓，其长度约为165nm （c）通过有损法布里-珀罗谐振器模型模拟的纳米管腔A的线轮廓。（d）纳米管腔B的近场图像的实验线轮廓，其长度约为190 nm。（e）通过有损法布里-珀罗谐振器模型模拟的纳米管腔B的线轮廓。该模型可以很好地捕获实验剖面随腔中部区域波长的变化。（f）腔A和B的振荡幅度对激发波长的实验依赖性。 如果你觉得有帮助，关注我们、转发到朋友圈或者推荐我们的公众号 等离激元前沿，让更多人看到吧。   图1.png  图2.png |
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