Advanced Photonics | 混合介电声子系统中的高Q谐振态

文章链接：Bo Qiang, Alexander M. Dubrovkin, Harish N. S. Krishnamoorthy, Qian Wang, Cesare Soci, Ying Zhang, Jinghua Teng, Qi Jie Wang. High Q-factor controllable phononic modes in hybrid phononic–dielectric structures[J]. Advanced Photonics, 2019, 1(2):026001

现有的声子器件制备技术大都依赖反应离子刻蚀(RIE)或聚焦离子束(FIB)，这些方法通过不同程度的化学反应和物理轰击来刻蚀声子材料形成最终结构，从而不可避免地会影响到器件的最终表现。

近日，新加坡南洋理工大学的王岐捷教授课题组提出了一种新型简易的方法来激发局域表面声子激元共振(localized surface phonon polariton)，从而实现高Q值的中红外声子器件。

如图1所示，研究人员通过电子束光刻的方法在高品质的六方形碳化硅上沉积了一层厚70 nm，宽1-2 μm的锗微米带。这些微米带可以直接将远场的中红外光子耦合进局域表面声子激元 (图1c, d)，从而避免了刻蚀带来的负面影响。

在傅里叶变换红外光谱测量中，研究人员观测到了局域偶极子表面声子共振模式和高阶模式两种共振，这两种模式的Q值分别为96和195, 高于以往报道的碳化硅的局域表面声子共振的Q值 (图1b)。而在所形成的局域声子激元模式中，超过80%的能量集中在距离碳化硅表面500 nm的区域内。这种高Q值、强约束的设计更有利于中红外光子与微量或超薄的样品发生较强的相互作用。

图1 (a)基于介质-声子材料的中红外谐振器及其(b)反射光谱和(c-f)数值模拟的光场分布

当锗纳米带被设计成周期性时，这些独立的声子极子谐振器共同形成了一个耦合光栅。通过调节光栅的周期，可以将不同频率远场的中红外光耦合成为表面声子极子。研究人员进一步探索了表面声子激元和局域声子激元之间的相互作用。

如图2所示，在所激发的表面声子激元频率接近局域偶极子声子共振频率时，两种光学模式发生了一定程度的耦合，形成了两个新的混杂态。这些混杂态有不同于两种光学模式的激发频率。这些混杂态的性质取决于两种基本模式的相对强度。

通过时域有限差分法（FDTD）数值模拟分析，学者们发现通过控制锗微米带的宽、周期等因素，可以实现对新的混杂态的光场分布进行调控。例如在图2(d-f)的数值计算中，混杂态对电场的束缚能力处于表面声子激元和局域声子激元之间，而不同的周期可以使模式的共振频率、电场分布由接近局域声子激元逐渐变化为更接近表面声子激元。

图2 实验和模拟的局域表面声子激元和表面声子激元的耦合光谱和电场分布

这项工作为研究中红外基于声子共振的光学器件提供了一个新的思路。通过设计不同的异质结构，可以有效地结合声子材料和其他材料的优势，从而实现全新的优质器件。

背景

红外光谱分析在生物医疗、环境监测、材料成分分析等方面扮演着举足轻重的角色。大气污染源、常见的蛋白质、荷尔蒙、抗体和大量的化工材料都在红外有着各自标志性的吸收频率，因此通过分析穿过样品后的红外吸收光谱可以定量地表征样品的成分。

而囿于中红外波段的波长较长，微量的样品或超薄的薄膜对红外的吸收普遍较弱，这极大地限制了红外光谱分析技术的灵敏度。一种常见的提高该项技术灵敏度的做法是利用高品质因子(Q)的微纳谐振器来增强中红外光子与被检测物质的相互作用。因此设计新型的高Q值的中红外谐振器一直是相关研究领域的热门研究方向。

以往的研究通常利用高掺杂的半导体材料或石墨烯等来实现微型中红外谐振器，从而极大地提高微量物质的检测灵敏度。这类器件通常基于表面等离子体激元共振，能够有效地提高器件表面附近的光场强度，从而增强微量样品对光的吸收。但这类材料通常本身具有较高的损耗，进而导致最终器件的Q值一直处于较低的水平。

近年来基于特定材料表面声子激元共振的一类器件一再刷新中红外谐振器的Q值记录。这类材料包括碳化硅、二氧化硅、六方形氮化硼等晶体和一些常见的半导体或介质材料，它们具有极低的损耗。通常声子的共振寿命比贵金属或掺杂半导体中等离子体激元的寿命长数十倍甚至百倍以上，因而更有希望产生高Q值的纳米光学器件。

另外这类材料往往耐高温，制备工艺也很成熟，因此倍受研究者和业界的青睐。需要注意的是基于声子共振的器件高度依赖晶体的品质，若晶体本身缺陷过多，或晶体表面吸附了其他物质，则表面声子激元的寿命会受到极大的影响。

作者介绍

王岐捷教授目前在新加坡南洋理工大学任教，就职于电子电器工程系和物理及应用物理系。他的研究团队长期致力于红外到太赫兹波段的高效能半导体器件，二维材料器件和纳米光电器件的理论研究，结构设计，制备工艺，系统集成和测试表征。

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