介质加载表面等离激元的近场光学观测

　　表面等离激元(surface plasmon polariton, SPP)的波导已成为纳米光子学和光电集成电路的重要研究方向之一。SPP是一种由入射光场和表面电子集体震荡相互作用产生的元激发,以共振的形式存在于金属和电介质的交界面上。表面极化晶体[1]、金属纳米带[2]和表面微结构[3]等已经被证实可以得到高效的SPP激发,但由于欧姆损失,在贵金属界面和可见光波段SPP沿界面的横向传播距离局限在10μm的数量级,从而局限了基于SPP光电器件的发展。

　　为了克服SPP在金属线上波导的巨大损失,最近提出金属表面SPP电介质波导方法[4]并得到了理论分析[5]。作为微纳器件的基本单元和互联装置[6]的一维半导体材料不仅在集成纳米系统的组装上有很好的应用前景[7],同时由于其侧面方向上强效的光禁闭作用使得一维半导体纳米带具有很好的光学传输性质。由于金属-电介质界面相对于金属-空气界面有更高的SPP折射率,从而使SPP约束在电介质纳米带表面附近。这种基于纳米带传播的波导模式类似于传统光纤上的光学引导原理,从而使得DLSPP波导具有很小的边缘散射损失。而这些波导效应是在相同宽度的金属纳米带线所无法实现的。

　　本工作用近场光学扫描显微镜(scanning near-field optical microscopy, SNOM)观察DLSPP的激发和传播。实验中使用的电介质样品是一种由CdS的纳米颗粒在金箔的催化下通过蒸发凝结得到的CdS纳米带。图1a是这种CdS纳米带的低倍扫描电镜(SEM)图像。图1b是CdS纳米带的高倍扫描电镜图像。由图像看到这些CdS纳米带有十分均匀的矩形剖面结构,尺寸大约是1·2μm×300 nm,恰好满足Degiron和Smith[8]在理论上论述的DLSPP激发条件。

　　图1c表明这种纳米带只含有Cd原子和S原子,且两者个数比较接近。图1d是用电子束曝光技术在光洁的蓝宝石平面上制造的厚100 nm,表面粗糙度在10 nm左右的银膜,并且一根CdS纳米带平躺在银膜上。

　　1　实验与方法

　　图2显示的是实验装置结构。实验中,SNOM是由一台NSOM-100(Nanonics Co.)型近场光学扫描头和SPM-100(RHK Co.)型电子学控制器及(SPEX0·34)型荧光光谱仪组成。扫描台放置在一架倒置光学显微镜(Olympus IX70型)的样品台上来观测光致荧光。SNOM探针是一根锥形悬臂式镀铝膜光纤探针,尖端直径为100 nm(Nanonics Co.)。He-Cd激光束(442 nm)经过一组透镜照在样品上。CdS纳米带的光致荧光(PL)可以被横向分辨率约为50 nm的探头收集。SNOM不仅提供了超过衍射极限(本文采用的SNOM为100 nm)的分辨率,而且也是观察样品表面上的光波导和PL光谱的一项关键技术;因此,它提供了比远场(传统的显微术)更多的表面PL信息。