束方洲 范仁浩 王嘉楠 彭茹雯 王牧

(南京大學(xué)固體微結(jié)構(gòu)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和物理學(xué)院,南京 210093)

等離激元學(xué)連接著光子學(xué)和電子學(xué),在光產(chǎn)生、顯微顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、光集成和光子芯片、傳感技術(shù)和納米制造技術(shù)等方面展示出重要應(yīng)用,正極大地促進(jìn)既擁有納米電子學(xué)的尺寸又兼有介電光子學(xué)速度的新一代信息材料和器件的發(fā)展.但是,傳統(tǒng)上絕大部分等離激元材料和器件都是基于靜態(tài)的設(shè)計(jì),即一旦被制備,其性能也就確定,人們無(wú)法根據(jù)需求進(jìn)行實(shí)時(shí)的主動(dòng)調(diào)控.因此,近年來(lái)人們開始從應(yīng)用需求出發(fā),致力于研制動(dòng)態(tài)調(diào)控的等離激元材料和器件.本文總結(jié)等離激元材料和器件的動(dòng)態(tài)調(diào)控研究進(jìn)展,給出動(dòng)態(tài)調(diào)控等離激元材料和器件的基本原理,即通過(guò)動(dòng)態(tài)改變材料中金屬微納結(jié)構(gòu)的等效介電函數(shù)、動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)外部環(huán)境、動(dòng)態(tài)控制結(jié)構(gòu)中的耦合效應(yīng)等,實(shí)現(xiàn)對(duì)等離激元材料和器件性能的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)控制.在此基礎(chǔ)上,分別以等離激元材料、等離激元超構(gòu)材料、等離激元超構(gòu)表面等為例,展示在電、光、力、溫度、環(huán)境等外部作用下相關(guān)材料和器件性能的實(shí)時(shí)改變和動(dòng)態(tài)控制,期望推動(dòng)發(fā)展新型亞波長(zhǎng)光電功能材料和器件.

1 引 言

我們知道,等離激元學(xué)將傳統(tǒng)光學(xué)微觀結(jié)構(gòu)從光的波長(zhǎng)量級(jí)壓縮到亞波長(zhǎng)尺度,在光產(chǎn)生、光集成、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、顯微技術(shù)和納米印刷技術(shù)等眾多領(lǐng)域呈現(xiàn)出重要的應(yīng)用[1-6].例如,表面等離激元具有場(chǎng)局域和場(chǎng)增強(qiáng)等特性,從而等離激元材料可以應(yīng)用于單分子成像[7]、納米激光器[8,9]、傳感器[10,11]、納米回路[12-16]、非線性效應(yīng)增強(qiáng)[17-19]、拉曼增強(qiáng)[20,21]、熒光增強(qiáng)[22,23]及其他領(lǐng)域[24-27].又如,等離激元超構(gòu)材料通過(guò)設(shè)計(jì)人工微結(jié)構(gòu)來(lái)構(gòu)造介電函數(shù)和磁導(dǎo)率的特殊空間分布,從而可以實(shí)現(xiàn)負(fù)折射[28,29]、超透鏡[30]、隱身斗篷[31,32]、模擬引力透鏡[33]、模擬光學(xué)黑洞[34]、完美吸收[35,36]等效應(yīng).再如,等離激元超構(gòu)表面利用人工微結(jié)構(gòu)來(lái)構(gòu)造平面光場(chǎng)的振幅、相位和偏振分布,從而實(shí)現(xiàn)異常反射和折射[37]、平透鏡[38,39]、全息[40]、光渦旋[41]、波片[42,43]、光自旋霍爾效應(yīng)[44]等.目前,等離激元學(xué)正連接著電子學(xué)和光子學(xué),為構(gòu)筑既擁有納米電子學(xué)的尺寸、又兼有介電光子學(xué)速度的新一代信息材料和器件提供科學(xué)原理和有效的材料體系.但是,傳統(tǒng)上絕大部分等離激元材料和器件都是基于靜態(tài)的設(shè)計(jì),即一旦被制備其性能也就確定,人們無(wú)法根據(jù)需求進(jìn)行實(shí)時(shí)的主動(dòng)調(diào)控.因此,近年來(lái)人們開始從應(yīng)用需求出發(fā),致力于研制動(dòng)態(tài)調(diào)控的等離激元材料和器件[45-48].

本文總結(jié)和歸納國(guó)內(nèi)外關(guān)于等離激元材料和器件的動(dòng)態(tài)調(diào)控研究進(jìn)展,給出動(dòng)態(tài)調(diào)控等離激元材料和器件的基本原理,即通過(guò)動(dòng)態(tài)改變材料中金屬微納結(jié)構(gòu)的等效介電函數(shù)、動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)外部環(huán)境、動(dòng)態(tài)控制結(jié)構(gòu)中的耦合效應(yīng)等,實(shí)現(xiàn)對(duì)等離激元材料和器件性能的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)控制; 然后,舉例說(shuō)明如何利用這些原理動(dòng)態(tài)調(diào)控等離激元材料、等離激元超構(gòu)材料和等離激元超構(gòu)表面以及相關(guān)器件;最后對(duì)等離激元材料和器件的動(dòng)態(tài)調(diào)控研究做了一些討論和展望,并對(duì)全文進(jìn)行總結(jié).

2 動(dòng)態(tài)調(diào)控等離激元材料和器件的基本原理

在金屬納米結(jié)構(gòu)中,表面等離激元共振與金屬的介電函數(shù)直接相關(guān).例如,對(duì)于一個(gè)孤立的球形金屬納米顆粒,局域表面等離激元共振波長(zhǎng)為[12]

其中λp為金屬的等離子體波長(zhǎng),與金屬介電函數(shù)有關(guān); εd為系統(tǒng)所處環(huán)境的介電函數(shù).因此,動(dòng)態(tài)改變材料中金屬微納結(jié)構(gòu)的等效介電函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)等離激元光學(xué)器件在響應(yīng)頻段的動(dòng)態(tài)調(diào)控.介電函數(shù)可動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的材料包括釔[49]、鎂[50-54]、石墨烯[55-64]、半導(dǎo)體[65,66]、透明導(dǎo)電氧化物[67,68]等.如圖1(a)所示,Duan等[51]通過(guò)鎂與氫氣的化學(xué)反應(yīng)來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)控等離激元納米結(jié)構(gòu)中的手性; 又如圖1(b)所示,Fei等[58]實(shí)現(xiàn)電調(diào)控石墨烯等離激元.

由(1)式可知,在金屬納米結(jié)構(gòu)中,表面等離激元共振波長(zhǎng)與系統(tǒng)外部環(huán)境的介電函數(shù)(εd)也相關(guān).因此,動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)外部環(huán)境也可以實(shí)現(xiàn)等離激元光學(xué)器件的動(dòng)態(tài)控制.周圍環(huán)境介電函數(shù)可動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的材料包括石墨烯[69-78]、液晶[79-90]、透明導(dǎo)電氧化物[91-99]、半導(dǎo)體[100-109]、聚合物[110-120]、鍺銻碲[121-133]、二氧化釩[134-146]等.例如相變材料鍺銻碲[121],如圖1(c)所示,其常溫時(shí)為非晶相,高溫時(shí)為晶相,可以實(shí)現(xiàn)介電函數(shù)的改變.

金屬納米結(jié)構(gòu)之間相互耦合也可以影響表面等離激元的共振波長(zhǎng).因此,動(dòng)態(tài)控制結(jié)構(gòu)中的耦合效應(yīng)也可實(shí)現(xiàn)等離激元光學(xué)器件的動(dòng)態(tài)調(diào)控.結(jié)構(gòu)中耦合效應(yīng)的控制可以通過(guò)使用柔性襯底[147-154]或施加力[155-165]等方法實(shí)現(xiàn).例如,Gao等[155]通過(guò)施加外力調(diào)控納米結(jié)構(gòu)中空氣間隙,實(shí)現(xiàn)等離激元誘導(dǎo)光透射的動(dòng)態(tài)調(diào)控,如圖1(d)所示.

綜上,可以歸納出目前實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)控等離激元材料和器件常采用的三種方案,即動(dòng)態(tài)改變材料中金屬微納結(jié)構(gòu)的等效介電函數(shù)、動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)外部環(huán)境、動(dòng)態(tài)控制結(jié)構(gòu)中的耦合效應(yīng)等.

圖1 動(dòng)態(tài)可調(diào)等離激元材料和器件示意 (a)通過(guò)氫氣調(diào)控手性光學(xué)響應(yīng)的工作原理[51]; (b)通過(guò)紅外納米成像觀察石墨烯中電調(diào)控等離激元[58]; (c)相變材料鍺銻碲常溫時(shí)為非晶相,高溫時(shí)為晶相[121]; (d)亞波長(zhǎng)小孔后等離激元誘導(dǎo)的光透射動(dòng)態(tài)調(diào)控[155]Fig.1.Schematic of active plasmonic materials and devices:(a)Working principle of hydrogen regulation to the chiroptical response[51]; (b)gate-tuning of graphene plasmons revealed by infrared nano-imaging[58]; (c)GeSbTe is amorphous at room temperature,and crystalline at high temperature[121]; (d)tunable interference of light behind subwavelength apertures[155].

3 動(dòng)態(tài)調(diào)控等離激元材料和器件

3.1 表面等離激元材料和相關(guān)器件

表面等離激元是電磁波與金屬表面自由電子耦合而形成的一種近場(chǎng)電磁模式[7-27].表面等離激元可分為傳播型表面等離激元和局域型表面等離激元.傳播型表面等離激元可在金屬與介質(zhì)界面?zhèn)鞑?其垂直界面的場(chǎng)強(qiáng)呈指數(shù)衰減; 局域型表面等離激元?jiǎng)t局域在金屬納米結(jié)構(gòu)邊緣.對(duì)于傳播型表面等離激元,其波矢為[12]

其中K0為自由空間入射光的波矢,εm為金屬的介電函數(shù),εd為系統(tǒng)所處環(huán)境的介電函數(shù).由于傳播型表面等離激元的波矢與自由空間入射光的波矢不匹配,因此需要額外的波矢補(bǔ)償才能激發(fā)傳播型表面等離激元.利用光柵耦合來(lái)激發(fā)傳播型表面等離激元是一種常用的方式.對(duì)于正入射一維光柵耦合激發(fā)的傳播型表面等離激元,其激發(fā)波長(zhǎng)為[12]

其中P為光柵周期,i是正整數(shù).對(duì)于局域型表面等離激元,其激發(fā)波長(zhǎng)與金屬納米顆粒的幾何尺寸有關(guān),而且也依賴于金屬納米顆粒之間的耦合[12].對(duì)于孤立的球形金屬納米顆粒,局域型表面等離激元激發(fā)波長(zhǎng)由(1)式確定.由于表面等離激元具有場(chǎng)局域和場(chǎng)增強(qiáng)特性,因此可以被用于單分子成像[7]、納米激光器[8,9]、傳感器[10,11]、納米回路[12-16]、非線性效應(yīng)增強(qiáng)[17-19]、拉曼增強(qiáng)[20,21]、熒光增強(qiáng)[22,23]及其他方面[24-27].盡管人們可以通過(guò)改變幾何參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)這些器件的光學(xué)性質(zhì),但由于目前大部分等離激元器件是靜態(tài)不可調(diào)控的,一旦被制備完成,其性能也就確定了.人們無(wú)法根據(jù)需求對(duì)其進(jìn)行主動(dòng)的控制.然而在實(shí)際應(yīng)用中,人們希望這些器件的光學(xué)性質(zhì)是動(dòng)態(tài)可調(diào)的.根據(jù)表面等離激元的分類,動(dòng)態(tài)可調(diào)表面等離激元器件可分為動(dòng)態(tài)可調(diào)傳播型表面等離激元器件和動(dòng)態(tài)可調(diào)局域型表面等離激元器件.

圖2 動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)傳播型表面等離激元 (a)通過(guò)散射掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡對(duì)傳播型和局域型石墨烯等離激元成像[57]; (b)利用液晶實(shí)現(xiàn)對(duì)表面等離激元的熱調(diào)控[82]; (c)通過(guò)石墨烯接觸調(diào)控等離激元波導(dǎo)的色散關(guān)系[70]; (d)用于調(diào)控表面等離激元的平面外設(shè)計(jì)的柔性超構(gòu)表面[154]Fig.2.Dynamically tune propagating surface plasmons: (a)Imaging propagating and localized graphene plasmons by scatteringtype scanning near-field optical microscopy[57]; (b)thermal tuning of surface plasmon polaritons using liquid crystals[82]; (c)tuning the dispersion relation of a plasmonic waveguide via graphene contact[70]; (d)out-of-plane designed soft metasurface for tunable surface plasmon polariton[154].

首先,傳播型表面等離激元可以被外場(chǎng)動(dòng)態(tài)調(diào)控.比如,Chen等[57]使用具有紅外波段近場(chǎng)掃描功能的近場(chǎng)散射顯微鏡發(fā)射并探測(cè)錐形石墨烯納米結(jié)構(gòu)中的傳播型表面等離激元,如圖2(a)所示.他們提供了等離激元場(chǎng)的空間圖像,并發(fā)現(xiàn)其等離激元的波長(zhǎng)非常短,僅為入射波長(zhǎng)的1/40.他們利用這種強(qiáng)大的光場(chǎng)受限將石墨烯納米結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成具有極小模式體積的可調(diào)等離激元微腔,通過(guò)對(duì)石墨烯施加電壓來(lái)調(diào)控腔共振,實(shí)現(xiàn)等離激元模式開關(guān),從而為基于石墨烯的光學(xué)晶體管的實(shí)現(xiàn)鋪平了道路.Cetin等[82]通過(guò)在小孔陣列上覆蓋一層液晶來(lái)實(shí)現(xiàn)更廣的光譜調(diào)節(jié)范圍,如圖2(b)所示.通過(guò)小孔陣列激發(fā)的表面等離激元可以實(shí)現(xiàn)異常透射,其對(duì)周圍環(huán)境折射率變化非常敏感.當(dāng)溫度由15 ℃變化到33 ℃時(shí),液晶折射率的變化為0.0317,其等離激元波長(zhǎng)移動(dòng)19 nm.特別在相變溫度附近,溫度改變1 ℃,折射率的變化為0.02,其等離激元波長(zhǎng)移動(dòng)12 nm.因此,控制液晶取向?yàn)閯?dòng)態(tài)調(diào)節(jié)光譜提供了一個(gè)非常有效的方案.Zhou等[70]研究了石墨烯覆蓋的等離激元平板波導(dǎo)的色散關(guān)系,如圖2(c)所示.在沒(méi)有石墨烯的情況下,光波照射納米結(jié)構(gòu)波導(dǎo)時(shí),由于表面電荷振蕩和光的電磁場(chǎng)之間的相互作用,表面等離激元始終在金屬介質(zhì)界面處被激發(fā); 但是在具有石墨烯的平板波導(dǎo)中,石墨烯的存在可以調(diào)節(jié)波導(dǎo)在可見光范圍內(nèi)的色散關(guān)系,而且等離激元平板波導(dǎo)的色散關(guān)系可以通過(guò)石墨烯摻雜和非線性效應(yīng)來(lái)調(diào)節(jié).該研究提供了一種在硅芯片上動(dòng)態(tài)控制等離激元波導(dǎo)色散關(guān)系的方法,并有利于開發(fā)與石墨烯相關(guān)的有源光學(xué)器件.Liu等[154]設(shè)計(jì)了一個(gè)具有平面外結(jié)構(gòu)的軟表面來(lái)調(diào)控表面等離激元,如圖2(d)所示.利用機(jī)械形變,他們?cè)诳梢姽夂徒t外范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了連續(xù)可調(diào)的等離激元共振.與平面參照物相比,他們的柔性和雙層超結(jié)構(gòu)通過(guò)面外相互作用展現(xiàn)出多樣的可調(diào)性和顯著的場(chǎng)增強(qiáng).

其次,局域型表面等離激元也可以被動(dòng)態(tài)調(diào)控.例如,Sterl等[50]設(shè)計(jì)的鎂納米盤結(jié)構(gòu),如圖3(a)所示.當(dāng)結(jié)構(gòu)暴露于氫氣中時(shí),金屬鎂顆粒轉(zhuǎn)化為介質(zhì)二氫化鎂顆粒,并且介質(zhì)二氫化鎂顆粒可以在氧氣存在的情況下還原為金屬鎂顆粒.等離激元納米結(jié)構(gòu)的消光光譜可以被重復(fù)地開關(guān)或保持在任意中間狀態(tài),這為可調(diào)等離激元超構(gòu)材料提供新的視角.Abb等[91]在透明導(dǎo)電氧化物(ITO)襯底上實(shí)現(xiàn)了單個(gè)等離激元納米天線皮秒全光控制,如圖3(b)所示.他們觀察到天線-ITO混合系統(tǒng)的皮秒響應(yīng),這與在非導(dǎo)電玻璃襯底上觀察到的金天線的瞬態(tài)漂白明顯不同.該現(xiàn)象可以通過(guò)ITO中自由載流子的顯著非線性來(lái)解釋,其通過(guò)從金納米天線到導(dǎo)電氧化物的等離激元激發(fā)的熱電子注入而增強(qiáng).Ou等[156]設(shè)計(jì)了一種新型的電可調(diào)等離激元超構(gòu)材料,如圖3(c)所示.對(duì)等離激元超構(gòu)分子施加幾伏電壓后,產(chǎn)生的靜電力可以驅(qū)動(dòng)這種超構(gòu)材料.這些皮克質(zhì)量的彈簧以兆赫茲頻率被驅(qū)動(dòng)從而重構(gòu)超構(gòu)分子,并顯著改變超構(gòu)材料的透射和反射光譜.Garcia等[67]研究了透明導(dǎo)電氧化物納米晶薄膜中局域型等離激元,如圖3(d)所示,即通過(guò)電化學(xué)調(diào)節(jié)透明導(dǎo)電氧化物納米晶薄膜中電子濃度,從而動(dòng)態(tài)且可逆地調(diào)節(jié)局域型等離激元.Jain等[66]也研究了半導(dǎo)體硫化銅納米棒中的局域型等離激元,如圖3(e)所示.該研究利用硫化銅的氧化還原反應(yīng)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)局域型等離激元：氧化反應(yīng)使得納米棒中形成銅空位,導(dǎo)致局域型等離激元共振藍(lán)移并且強(qiáng)度增加; 而還原反應(yīng)使得銅空位被填充,導(dǎo)致局域型等離激元共振紅移并且強(qiáng)度減少.

基于可動(dòng)態(tài)調(diào)控的傳播型等離激元和局域型等離激元,人們可以構(gòu)造一系列可動(dòng)態(tài)調(diào)控的等離激元器件.接下來(lái)分別以等離激元彩色顯示、等離激元天線和等離激元調(diào)制器為例作一些說(shuō)明.

圖3 動(dòng)態(tài)調(diào)控局域型表面等離激元 (a)借助10 nm的鈀催化層和5 nm的鈦緩沖劑將鎂顆粒轉(zhuǎn)換成氫化鎂,反之亦然[50];(b)全光控制單個(gè)等離激元納米天線-ITO混合結(jié)構(gòu)[91]; (c)一種在近紅外頻段下工作的電力驅(qū)動(dòng)可重構(gòu)的等離激元超構(gòu)材料[156];(d)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)摻雜納米晶中表面等離激元共振[67]; (e)摻雜納米晶作為氧化還原化學(xué)反應(yīng)的等離激元探頭[66]Fig.3.Dynamically tune localized surface plasmons: (a)Switching of magnesium particles to magnesium hydride and vice versa with the aid of a 10 nm catalytic Pd layer and 5 nm Ti buffer[50]; (b)all-optical control of a single plasmonic nanoantenna-ITO hybrid[91]; (c)an electromechanically reconfigurable plasmonic metamaterial operating in the near-infrared[156]; (d)dynamically modulating the surface plasmon resonance of doped semiconductor nanocrystals[67]; (e)doped nanocrystals as plasmonic probes of redox chemistry[66].

近年來(lái)等離激元彩色顯示已經(jīng)帶來(lái)了彩色顯示科學(xué)的變革,這歸功于其前所未有的亞波長(zhǎng)分辨率和高密度的光數(shù)據(jù)存儲(chǔ)[166].然而,通常等離激元結(jié)構(gòu)一旦被制備完成,它們的光學(xué)性質(zhì)也就固定了,從而限制了其潛在的應(yīng)用.最近人們開始發(fā)展等離激元彩色顯示的動(dòng)態(tài)控制.例如,Chen等[52]利用鎂納米顆粒實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)可調(diào)等離激元彩色顯示,如圖4(a)所示.鎂納米顆粒作為動(dòng)態(tài)可調(diào)的像素點(diǎn),人們通過(guò)控制其氫化和脫氫過(guò)程,可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)等離激元彩色顯示.在選擇的像素點(diǎn)進(jìn)行信息編碼時(shí),光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡下都無(wú)法分辨,只能通過(guò)氫氣作為鑰匙來(lái)解碼,這可用于新的信息加密和防偽.又如,Xu等[117]通過(guò)在金屬納米狹縫陣列上覆蓋一層聚合物實(shí)現(xiàn)了電致變色開關(guān),如圖4(b)所示.通過(guò)改變排列周期可以實(shí)現(xiàn)全色響應(yīng),而且具有較快的開關(guān)速度和較高的對(duì)比度.再如,Shu等[145]在二氧化釩薄膜上設(shè)計(jì)了銀納米盤陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)可調(diào)色彩,如圖4(c)所示.銀納米盤陣列可以激發(fā)局域型表面等離激元,白光入射時(shí)反射光呈某種顏色.當(dāng)溫度改變時(shí),由于二氧化釩介電函數(shù)的變化,局域型表面等離激元的共振波長(zhǎng)也隨之變化,從而導(dǎo)致反射光的色彩改變.此外銀納米盤陣列也可以用來(lái)設(shè)計(jì)圖案,改變溫度可重構(gòu)圖案色彩.Tseng等[151]還通過(guò)將鋁納米結(jié)構(gòu)陣列和柔性襯底結(jié)合實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)的等離激元色彩,如圖4(d)所示.通過(guò)沿不同方向拉伸襯底,結(jié)構(gòu)散射顏色可以變化到藍(lán)色或紅色,跨過(guò)了整個(gè)可見光譜.他們使用不超過(guò)35%的應(yīng)力平緩動(dòng)態(tài)地調(diào)制色彩.利用該結(jié)構(gòu)也可實(shí)現(xiàn)圖案色彩開關(guān),這種設(shè)計(jì)方案有潛力為下一代柔性光學(xué)器件打開大門.

圖4 動(dòng)態(tài)調(diào)控等離激元色彩 (a)繪畫作品的動(dòng)態(tài)顯示,展示了黑/白顯示和彩色顯示之間的轉(zhuǎn)換[52]; (b)利用液晶介電函數(shù)變化實(shí)現(xiàn)快速高對(duì)比度的電致變色開關(guān)[117]; (c)基于二氧化釩相變動(dòng)態(tài)可調(diào)等離激元彩色顯示[145]; (d)二維動(dòng)態(tài)調(diào)控鋁等離激元陣列實(shí)現(xiàn)全光譜響應(yīng)[151]Fig.4.Dynamically tune plasmonic colors: (a)Dynamic display of the artwork,showing transformations between black/white printing and color printing[52]; (b)high-contrast and fast electrochromic switching enabled by the variation in permittivity of liquid crystals[117]; (c)dynamic plasmonic color generation based on phase transition of vanadium dioxide[145]; (d)two-dimensional active tuning of an aluminum plasmonic array for full-spectrum response[151].

等離激元天線也有很重要的應(yīng)用.等離激元天線可以使得光由自由空間轉(zhuǎn)換到亞波長(zhǎng)尺度,反之亦然,這促進(jìn)了人們?cè)诩{米尺度上進(jìn)行光操縱[167].在許多應(yīng)用中,人們都希望動(dòng)態(tài)控制天線的性質(zhì),包括生物化學(xué)傳感、可重構(gòu)超構(gòu)表面和微型光電器件等.最近,Strohfeldt等[49]利用氫氣可逆地調(diào)節(jié)釔納米天線的等離激元共振,如圖5(a)所示.氫氣可導(dǎo)致金屬相二氫化釔和絕緣體相三氫化釔之間的相變.盡管二氫化釔納米結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出等離激元共振現(xiàn)象,但轉(zhuǎn)變成三氫化釔后其共振行為完全消失.Li等[168]在鈣鈦礦SmNiO3上設(shè)計(jì)鉑納米孔天線,如圖5(b)所示.當(dāng)鈣鈦礦處于光學(xué)透明態(tài)時(shí),入射紅外光在納米孔天線中激發(fā)強(qiáng)的等離激元共振; 當(dāng)鈣鈦礦處于光學(xué)不透明態(tài)時(shí),強(qiáng)的光學(xué)損耗使等離激元共振衰減較大.Yao等[69]通過(guò)結(jié)合金屬結(jié)構(gòu)和石墨烯實(shí)現(xiàn)電調(diào)控等離激元器件,如圖5(c)所示.石墨烯在天線間隙作為電調(diào)控負(fù)載可以調(diào)控天線的性質(zhì),對(duì)于石墨烯加載的天線,其電調(diào)控的波長(zhǎng)范圍在中紅外區(qū)域達(dá)到650 nm寬(共振頻率的10%),他們使用雙共振天線陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)中紅外光強(qiáng)調(diào)制,最大調(diào)制深度超過(guò)30%,帶寬為600 nm(共振頻率8%).Lu等[19]在氧化鋅納米顆粒層與石墨烯之間設(shè)計(jì)金納米天線實(shí)現(xiàn)強(qiáng)的慢光效應(yīng),如圖5(d)所示.該超構(gòu)材料中與電磁感應(yīng)透明相關(guān)的等離激元模式因?yàn)楣鈭?chǎng)強(qiáng)烈受限,使得在透明窗口群速度大大減少.泵浦光的強(qiáng)度只需1.5 kW·cm—2就可以在透明窗口中心實(shí)現(xiàn)120 nm的可調(diào)波長(zhǎng)范圍,而且響應(yīng)時(shí)間只需42.3 ps.

圖5 動(dòng)態(tài)可調(diào)納米天線 (a)利用二氫化釔與氫氣反應(yīng)實(shí)現(xiàn)納米天線開關(guān)[49]; (b)在SmNiO3薄膜上設(shè)計(jì)等離激元超構(gòu)表面實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外反射率的窄帶調(diào)控[168]; (c)石墨烯復(fù)合等離激元天線的寬帶電調(diào)控[69]; (d)超薄非線性超構(gòu)表面中的動(dòng)態(tài)超快可調(diào)慢光效應(yīng)[19]Fig.5.Active plamsonic nanoantennas: (a)Switchable nanoantennas by the interaction of yttrium dihydride with hydrogen[49];(b)narrowband tuning of infrared reflectivity in devices consisting of plasmonic metasurfaces patterned on SmNiO3 thin films[168];(c)broad electrical tuning of graphene-loaded plasmonic antennas[69]; (d)an actively ultrafast tunable giant slow-light effect in ultrathin nonlinear metasurfaces[19].

等離激元調(diào)制器也很受人們關(guān)注.我們知道,實(shí)現(xiàn)芯片尺度的光連接需要高速并且高效的光調(diào)制器,但是目前使用的金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)調(diào)制器由于硅兼容材料中弱的非線性光學(xué)效應(yīng)阻礙了其尺寸的進(jìn)一步減小[17],而等離激元學(xué)為設(shè)計(jì)高效的小型化調(diào)制器[17]提供了思路.例如,Dicken等[169]在金屬-介質(zhì)等離激元干涉儀中通過(guò)使用電光材料鈦酸鋇作為介質(zhì)層實(shí)現(xiàn)對(duì)傳播型等離激元波矢的控制,如圖6(a)所示; Kim等[144]利用相變材料二氧化釩來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)控表面等離激元的傳播方向,如圖6(b)所示,即利用二氧化釩的介電函數(shù)在相變前后變化較大,從而通過(guò)外部熱激發(fā)做動(dòng)態(tài)調(diào)控; Rudé等[125]利用相變材料鍺銻碲調(diào)控Au/SiO2界面?zhèn)鞑バ偷入x激元,如圖6(c)所示,通過(guò)光柵耦合,波長(zhǎng)1.55 μm的垂直入射光轉(zhuǎn)換成金波導(dǎo)中傳播型表面等離激元,該研究將脈沖激光(波長(zhǎng)975 nm)入射到處于器件頂部的鍺銻碲薄膜,鍺銻碲發(fā)生相變,即由非晶相轉(zhuǎn)變?yōu)榫?其折射率和吸收系數(shù)都相應(yīng)地增加,從而抑制等離激元模式的傳播; Pala等[111]還將等離激元納米結(jié)構(gòu)和光致變色分子結(jié)合,實(shí)現(xiàn)表面等離激元波導(dǎo)的全光開關(guān),如圖6(d)所示,通過(guò)泵浦光激發(fā),系統(tǒng)中分子在透明態(tài)和吸收態(tài)之間可逆切換,動(dòng)態(tài)改變光信號(hào)實(shí)現(xiàn)光開關(guān).相關(guān)研究為研制高效的小型化調(diào)制器提供了新思路.

圖6 等離激元調(diào)制器 (a)鈦酸鋇薄膜等離激元干涉儀中電光調(diào)制[169]; (b)通過(guò)二氧化釩相變調(diào)控表面等離激元傳播方向[144];(c)基于鍺銻碲相變動(dòng)態(tài)控制表面等離激元波導(dǎo)[125]; (d)利用光致變色分子實(shí)現(xiàn)非易失性等離激元開關(guān)[111]Fig.6.Plamsonic modulators: (a)Electrooptic modulation in thin film barium titanate plasmonic interferometers[169]; (b)active directional switching of surface plasmon polaritons using the phase transition of vanadium dioxide[144]; (c)active control of surface plasmon waveguides based on the phase transition of GeSbTe[125]; (d)a nonvolatile plasmonic switch employing photochromic molecules[111].

3.2 等離激元超構(gòu)材料和相關(guān)器件

超構(gòu)材料是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一類人工微結(jié)構(gòu)材料,該類材料可以通過(guò)人工設(shè)計(jì)介電函數(shù)和磁導(dǎo)率的空間分布來(lái)實(shí)現(xiàn)自然界不存在的現(xiàn)象,例如負(fù)折射[28,29]、超透鏡[30]、隱身斗篷[31,32]、模擬引力透鏡[33]、模擬光學(xué)黑洞[34]、完美吸收[35,36]等效應(yīng).許多超構(gòu)材料基于金屬微納結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),比如利用金屬條帶中電共振來(lái)設(shè)計(jì)介電函數(shù),利用開口環(huán)或平行金屬條帶中磁共振來(lái)設(shè)計(jì)磁導(dǎo)率.因此,超構(gòu)材料可以在光頻及紅外波段融合等離激元的部分性質(zhì),從而成為等離激元超構(gòu)材料.但大部分等離激元超構(gòu)材料一旦被制備后其性質(zhì)也就確定了,因此發(fā)展動(dòng)態(tài)可調(diào)的等離激元超構(gòu)材料將會(huì)大大豐富相關(guān)器件的性能及應(yīng)用范圍.

由于等離激元超構(gòu)材料的設(shè)計(jì)核心是設(shè)計(jì)介電函數(shù)和磁導(dǎo)率的空間分布,因而動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)介電函數(shù)和磁導(dǎo)率是動(dòng)態(tài)可調(diào)等離激元超構(gòu)材料的基礎(chǔ).比如,Xiao等[81]在可見光波段實(shí)現(xiàn)熱調(diào)控超構(gòu)材料的負(fù)磁導(dǎo)率,如圖7(a)所示.通過(guò)在耦合金屬納米條上覆蓋一層液晶,當(dāng)溫度由20 ℃增加到50 ℃時(shí),超構(gòu)材料中磁共振波長(zhǎng)由650 nm移動(dòng)到632 nm,從而實(shí)驗(yàn)證實(shí)超構(gòu)材料的負(fù)磁導(dǎo)率波長(zhǎng)在可見光區(qū)域的可調(diào)控特性.Cao等[123]在金屬漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)中插入相變材料鍺銻碲,如圖7(b)所示.當(dāng)鍺銻碲由非晶相轉(zhuǎn)變?yōu)榫鄷r(shí)介電函數(shù)發(fā)生較大變化,因此漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)中的磁共振波長(zhǎng)也發(fā)生較大變化,最終整個(gè)結(jié)構(gòu)的負(fù)折射率波長(zhǎng)發(fā)生較大變化(1300 nm),從理論上展示了超構(gòu)材料的負(fù)折射率波長(zhǎng)在中紅外區(qū)域的可調(diào)控特性.

基于等離激元超構(gòu)材料可以實(shí)現(xiàn)許多功能性器件.我們知道,增強(qiáng)光吸收可以提高光伏、探測(cè)器和傳感器等器件的性能.最近幾年利用超構(gòu)材料實(shí)現(xiàn)完美吸收受到了廣泛關(guān)注[170].目前大多數(shù)基于超構(gòu)材料的吸收器件都依賴于結(jié)構(gòu)中的共振效應(yīng),因此常常只能在較窄的波段增強(qiáng)吸收.發(fā)展動(dòng)態(tài)可調(diào)吸收器將會(huì)擴(kuò)大吸收峰的波長(zhǎng)范圍.例如,Fang等[60]設(shè)計(jì)了石墨烯納米盤陣列實(shí)現(xiàn)了電調(diào)控的光吸收,如圖8(a)所示.相比于石墨烯,該結(jié)構(gòu)在紅外波段的吸收由不到3%增加到30%,而且吸收可以通過(guò)電壓來(lái)調(diào)節(jié),從而實(shí)驗(yàn)證實(shí)電調(diào)控紅外光吸收,展示了石墨烯納米結(jié)構(gòu)在紅外電光器件上可能的重要應(yīng)用前景.Wang等[141]利用二氧化釩相變實(shí)現(xiàn)超構(gòu)材料吸收開關(guān),如圖8(b)所示.當(dāng)二氧化釩處于絕緣體相時(shí),由于結(jié)構(gòu)中的磁共振激發(fā),在波長(zhǎng)5 μm附近存在完美吸收峰; 當(dāng)二氧化釩處于金屬相時(shí),由于頂部和底部金屬結(jié)構(gòu)短路,磁共振不能被激發(fā),波長(zhǎng)選擇性吸收關(guān)閉,理論給出了熱調(diào)控中紅外光吸收,促進(jìn)了可動(dòng)態(tài)開關(guān)的超構(gòu)材料在能源和傳感領(lǐng)域中的應(yīng)用.Qu等[132]在等離激元超構(gòu)材料中插入鍺銻碲實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)熱輻射,如圖8(c)所示.當(dāng)鍺銻碲由非晶相轉(zhuǎn)變?yōu)榫鄷r(shí),典型的共振模式(源于高階磁共振與抗反射共振耦合)由6.51 μm移動(dòng)到9.33 μm,實(shí)驗(yàn)證實(shí)了熱調(diào)控中紅外區(qū)域的熱輻射,為動(dòng)態(tài)控制熱輻射在基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域和能量采集應(yīng)用上鋪平了道路.

圖7 動(dòng)態(tài)可調(diào)負(fù)折射率 (a)超構(gòu)材料中可調(diào)磁響應(yīng)[81]; (b)基于相變材料可調(diào)負(fù)折射率超構(gòu)材料[123]Fig.7.Dynamically tunable negative refractive index: (a)Tunable magnetic response of metamaterials[81]; (b)tunable negative index metamaterials based on phase-change materials[123],reprinted with permission from Ref.[123]? The Optical Society.

利用超構(gòu)材料也可以有效地控制光的偏振態(tài).我們知道,光通信、激光科學(xué)、顯微學(xué)和計(jì)量學(xué)對(duì)光偏振的控制有很大需求,偏振還可用于化學(xué)和生物系統(tǒng)探測(cè)等.傳統(tǒng)上,人們可以通過(guò)使用宏觀各向異性晶體實(shí)現(xiàn)光的某些偏振態(tài).超構(gòu)材料和超構(gòu)表面最近已被用于制備亞波長(zhǎng)尺度高效的被動(dòng)偏振元件[41],但是動(dòng)態(tài)控制的偏振器件到目前為止主要集中在微波和太赫茲波段.最近,Fan等[161]設(shè)計(jì)了一種三層金屬光柵結(jié)構(gòu)來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)太赫茲波的偏轉(zhuǎn)態(tài),如圖9(a)所示.通過(guò)施加外力旋轉(zhuǎn)這三層金屬光柵,可以將線偏振的太赫茲波旋轉(zhuǎn)到任意線偏振方向,偏振旋轉(zhuǎn)主要來(lái)源于三層金屬光柵中的多波干涉,而且這樣的偏振轉(zhuǎn)換是寬帶和高效的,從而實(shí)驗(yàn)證實(shí)外部機(jī)械力可高效調(diào)控太赫茲波的偏振態(tài),在材料分析、無(wú)線通訊以及太赫茲成像等領(lǐng)域具有許多潛在的應(yīng)用.此外,Wang等[87]在金屬線柵和石墨烯之間插入液晶實(shí)現(xiàn)了可調(diào)太赫茲波片,如圖9(b)所示.通過(guò)堆積兩組結(jié)構(gòu),他們實(shí)現(xiàn)了電調(diào)控1/4波片,證實(shí)在太赫茲區(qū)域電調(diào)控偏振態(tài),可用于發(fā)展各種基于液晶動(dòng)態(tài)可調(diào)的太赫茲器件.Nicholls等[171]通過(guò)設(shè)計(jì)金納米棒陣列實(shí)現(xiàn)了可見光偏振全光開關(guān),偏振橢圓在皮秒時(shí)間可達(dá)到60°的旋轉(zhuǎn),如圖9(c)所示.利用雙曲超構(gòu)材料中強(qiáng)各向異性和非線性效應(yīng),通過(guò)改變控制光的強(qiáng)度可以調(diào)節(jié)信號(hào)光的偏振態(tài),而且這個(gè)效應(yīng)具有普遍性,可以在任何共振的、各向異性的、非線性的納米天線和超構(gòu)表面中實(shí)現(xiàn),適用于各種需要超快控制偏振的光學(xué)應(yīng)用和材料表征技術(shù),實(shí)驗(yàn)證實(shí)在可見光區(qū)域超快調(diào)控偏振態(tài),將會(huì)在高分辨單分子成像、量子信息處理、以及傳感等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景.Jia等[146]將二氧化釩覆蓋在各向異性的金屬納米結(jié)構(gòu)上來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)控反射光的偏轉(zhuǎn)態(tài),如圖9(d)所示.當(dāng)線偏振光垂直入射時(shí),室溫下反射光偏振沿某一方向,高溫時(shí)反射光偏振沿另一方向,從而實(shí)現(xiàn)了通過(guò)溫度改變動(dòng)態(tài)調(diào)控反射光的偏振態(tài),實(shí)驗(yàn)證實(shí)了熱調(diào)控中紅外光的偏振態(tài),將在各種光調(diào)制器、分子探測(cè)以及偏振成像等領(lǐng)域具有許多潛在的應(yīng)用.

圖8 動(dòng)態(tài)可調(diào)吸收 (a)石墨烯納米盤陣列實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)可調(diào)吸收增強(qiáng)[60]; (b)通過(guò)相變空間層實(shí)現(xiàn)可開關(guān)的超材料吸收器/發(fā)射器[141]; (c)基于相變材料鍺銻碲超薄等離激元超構(gòu)材料實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)熱輻射調(diào)控[132]Fig.8.Dynamically tune optical absorption: (a)Active tunable absorption enhancement with graphene nanodisk arrays[60];(b)switchable wavelength-selective and diffuse metamaterial absorber/emitter with a phase transition spacer layer[141]; (c)dynamic thermal emission control based on ultrathin plasmonic metamaterials including phase-changing material GST[132].

超構(gòu)材料還可以被用來(lái)控制材料的手性.手性是現(xiàn)代化學(xué)中非常重要的研究方向,自然界分子的手性可以通過(guò)外部激發(fā)重構(gòu)分子結(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)節(jié).動(dòng)態(tài)控制等離激元超構(gòu)材料的手性有潛力成為偏振敏感成像器件和立體顯示技術(shù)的關(guān)鍵元件[172],但是通常很難實(shí)現(xiàn),這是因?yàn)槠渖婕暗匠瑯?gòu)分子的重構(gòu),即由左手對(duì)映體到右手對(duì)映體或右手對(duì)映體到左手對(duì)映體.最近,Zhu等[95]在超構(gòu)材料中實(shí)現(xiàn)了全光可調(diào)手性,如圖10(a)所示.超構(gòu)分子由兩個(gè)扭曲的L形狀納米天線中間插入非線性透明導(dǎo)電氧化物構(gòu)成.在弱的泵浦光 (40 kW/cm2)激發(fā)下,圓二色譜中峰向短波長(zhǎng)方向移動(dòng)45 nm,實(shí)驗(yàn)證實(shí)了在近紅外區(qū)域全光調(diào)控手性,不僅為實(shí)現(xiàn)超低能量超快全光可調(diào)的手性創(chuàng)造可能,也為構(gòu)建超高速芯片集成的生物化學(xué)傳感提供了一種方法.Cao等[127]通過(guò)設(shè)計(jì)非手性相變超構(gòu)材料在中紅外區(qū)域?qū)崿F(xiàn)超快調(diào)節(jié)圓二色性,如圖10(b)所示.該結(jié)構(gòu)在斜入射時(shí)表現(xiàn)出強(qiáng)手性,并且通過(guò)鍺銻碲在非晶相和晶相切換在中紅外區(qū)域?qū)崿F(xiàn)寬的可調(diào)波長(zhǎng)范圍,從理論上給出在中紅外區(qū)域調(diào)控圓二色性的共振頻率,將會(huì)在超薄偏振旋轉(zhuǎn)器、調(diào)制器和圓偏振器等有許多應(yīng)用.DNA已被證明是構(gòu)建復(fù)雜的三維機(jī)構(gòu)功能最多并且穩(wěn)定的堆積塊之一.Kuzyk等[163]設(shè)計(jì)了一種可重構(gòu)三維等離激元的超構(gòu)分子,在納米尺度實(shí)現(xiàn)了DNA調(diào)制的構(gòu)象變化,如圖10(c)所示.DNA既充當(dāng)組成材料來(lái)組裝三維等離激元納米顆粒,同時(shí)也作為燃料激發(fā)超構(gòu)分子到不同的構(gòu)象態(tài).當(dāng)兩個(gè)金納米棒按照某一角度堆積時(shí),呈現(xiàn)某一種手性; 按另一角度堆積時(shí),呈現(xiàn)另一種手性,證實(shí)在可見光區(qū)域動(dòng)態(tài)調(diào)控手性,將會(huì)在生物化學(xué)和生命科學(xué)等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用.

圖9 動(dòng)態(tài)可調(diào)偏振態(tài) (a)自由可調(diào)寬帶太赫茲波偏振旋轉(zhuǎn)器[161]; (b)石墨烯電極驅(qū)動(dòng)的寬帶可調(diào)液晶太赫茲波片[87]; (c)非線性各向異性超構(gòu)材料實(shí)現(xiàn)超快產(chǎn)生與轉(zhuǎn)換光的偏振態(tài)[171]; (d)利用二氧化釩相變動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換光的偏振態(tài)[146]Fig.9.Dynamically tune the polarization states of light: (a)Feely tunable broadband polarization rotator for terahertz waves[161];(b)broadband tunable liquid crystal terahertz waveplates driven with porous graphene electrodes[87]; (c)ultrafast synthesis and switching of light polarization in nonlinear anisotropic metamaterials[171]; (d)dynamically switching the polarization state of light based on the phase transition of vanadium dioxide[146].

3.3 等離激元超構(gòu)表面和相關(guān)器件

超構(gòu)表面是通過(guò)在二維平面上設(shè)計(jì)微納結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)對(duì)平面內(nèi)光場(chǎng)振幅、相位和偏振的分布進(jìn)行人工設(shè)計(jì)的二維及準(zhǔn)二維的光學(xué)器件,可以具有異常反射和折射[37]、平透鏡[38,39]、全息[40]、光渦旋[41]、波片[42,43]、光自旋霍爾效應(yīng)[44]等特性.在光頻及紅外波段,超構(gòu)表面通常采用金屬納米結(jié)構(gòu),通過(guò)金屬納米結(jié)構(gòu)中局域表面等離激元共振來(lái)設(shè)計(jì)平面內(nèi)光場(chǎng)振幅、相位和偏振分布.超構(gòu)表面由于融合了等離激元的部分性質(zhì)從而通常被稱為等離激元超構(gòu)表面.然而,大部分等離激元超構(gòu)表面一旦被制備完成,其性質(zhì)也就確定了,因此發(fā)展動(dòng)態(tài)可調(diào)的等離激元超構(gòu)表面將會(huì)大大豐富相關(guān)器件的性能以及應(yīng)用范圍.

圖10 動(dòng)態(tài)可調(diào)手性 (a)動(dòng)態(tài)調(diào)控非線性超構(gòu)材料中手性[95]; (b)非手性相變超構(gòu)材料實(shí)現(xiàn)超快調(diào)節(jié)圓二色性[127]; (c)可重構(gòu)的三維等離激元超構(gòu)分子[163]Fig.10.Dynamically tunable chirality: (a)Active control of chirality in nonlinear metamaterials[95]; (b)achiral phase change metamaterials for ultrafast tuning of giant circular conversion dichroism[127]; (c)reconfigurable 3D plasmonic metamolecules[163].

我們知道,等離激元超構(gòu)表面可以實(shí)現(xiàn)異常反射和折射,這些功能的實(shí)現(xiàn)需要在一個(gè)周期單元里設(shè)計(jì)一系列納米結(jié)構(gòu).這些納米結(jié)構(gòu)反射光或透射光的振幅和偏振相同,而相位按一定梯度分布.其異常反射角為[41]

而異常折射角為[41]

其中θi為入射角,ni為入射光區(qū)域介質(zhì)折射率,nt為折射光區(qū)域介質(zhì)折射率,k0為入射光波矢,dφ/dx為相位梯度[41].為了實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)可調(diào)的異常反射和折射,需要設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)可調(diào)的相位梯度.最近,Zou等[124]設(shè)計(jì)了一種基于相變材料(鍺銻碲)的可調(diào)反射陣列,實(shí)現(xiàn)了在一個(gè)光源和兩個(gè)接收器之間的動(dòng)態(tài)光學(xué)連接,如圖11(a)所示.通過(guò)在鍺銻碲的兩個(gè)態(tài)之間切換,該反射陣列可以在兩個(gè)接收器中切換光學(xué)連接.他們?cè)诳烧{(diào)反射陣列中使用兩種天線實(shí)現(xiàn)完全控制反射光的波前,并在光通信波長(zhǎng)1.55 μm實(shí)現(xiàn)光束方向控制,從而理論給出了在近紅外區(qū)域調(diào)控反射方向,為基于相變材料光學(xué)天線和天線陣列實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)光學(xué)開關(guān)和路由創(chuàng)造了可能.Huang等[97]設(shè)計(jì)了電調(diào)控超構(gòu)表面能夠電控制反射平面波的相位和振幅,如圖11(b)所示.他們利用場(chǎng)效應(yīng)調(diào)制透明導(dǎo)電氧化物的復(fù)折射率實(shí)現(xiàn)可調(diào)功能.通過(guò)電控制超構(gòu)表面的結(jié)構(gòu)單元可以調(diào)節(jié)衍射光的方向,從而實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電調(diào)控近紅外光的衍射方向,為超薄光學(xué)器件在成像和傳感技術(shù)上的應(yīng)用鋪平了道路.Ee等[148]將金納米棒陣列構(gòu)造在可拉伸的聚合物襯底上,如圖11(c)所示.通過(guò)對(duì)超構(gòu)表面的機(jī)械拉伸可以改變結(jié)構(gòu)的排列周期,從而在可見光頻率范圍連續(xù)調(diào)節(jié)波前方向：襯底的拉伸導(dǎo)致波長(zhǎng)為632.8 nm的光的異常折射角由11.4°變化到14.9°,實(shí)驗(yàn)證實(shí)了機(jī)械力調(diào)控可見光的折射方向,將會(huì)在信息技術(shù)、集成光學(xué)和光通信等有許多應(yīng)用.

圖11 動(dòng)態(tài)可調(diào)異常反射和折射 (a)基于相變材料的可調(diào)反射陣列[124]; (b)電調(diào)控導(dǎo)電氧化物超構(gòu)表面[97]; (c)可拉伸襯底上的可調(diào)超構(gòu)表面[148]Fig.11.Dynamically tunable anomaly reflection and refraction: (a)Phase change material based tunable reflectarray[124],reprinted with permission from Ref.[124]? The Optical Society; (b)gate-tunable conducting oxide metasurfaces[97]; (c)tunable metasurface on a stretchable substrate[148].

平透鏡也是超構(gòu)表面的一個(gè)重要應(yīng)用.為了實(shí)現(xiàn)平透鏡,超構(gòu)表面空間相位分布需要滿足[152]

其中k為波矢,r為徑向位置,f為焦距[152].為了實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)可調(diào)平透鏡,需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)節(jié)相位分布.近年來(lái),Wang等[74]將超構(gòu)表面和石墨烯結(jié)合實(shí)現(xiàn)了中紅外動(dòng)態(tài)可調(diào)的透鏡.通過(guò)調(diào)節(jié)石墨烯上門電壓,可以動(dòng)態(tài)控制透鏡的焦距,從理論上提出電調(diào)控中紅外光的聚焦透鏡,將會(huì)在三維光學(xué)成像、探測(cè)和傳感等有許多應(yīng)用.Yu等[142]通過(guò)設(shè)計(jì)金和二氧化釩納米圓環(huán)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)中紅外焦距可調(diào)的等離激元透鏡,如圖12(a)所示.當(dāng)用徑向偏振光照射時(shí),通過(guò)改變溫度可以在近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)之間動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)完美圓對(duì)稱焦點(diǎn),而且總是可以在超越衍射極限下被聚焦,從理論上提出熱調(diào)控中紅外光的聚焦透鏡,將會(huì)在光數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、超分辨成像和微型光學(xué)器件等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用.Chen等[126]在光柵狹縫中填充鍺銻碲實(shí)現(xiàn)可調(diào)的透鏡,如圖12(b)所示.通過(guò)改變鍺銻碲的結(jié)晶程度,每個(gè)狹縫的共振波長(zhǎng)會(huì)發(fā)生變化,導(dǎo)致波長(zhǎng)1.55 μm的電磁波相位調(diào)制高達(dá) 0 .56π .基于該幾何固定的平臺(tái),通過(guò)控制每個(gè)狹縫中鍺銻碲的結(jié)晶程度來(lái)構(gòu)建不同的相前,可以實(shí)現(xiàn)各種遠(yuǎn)程聚焦圖案,在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)在近紅外區(qū)域光調(diào)控透鏡,將會(huì)在光學(xué)回路和成像上有重要的應(yīng)用.

圖12 動(dòng)態(tài)可調(diào)透鏡 (a)基于徑向偏振光照射的復(fù)合納米環(huán)的在近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)之間的動(dòng)態(tài)可調(diào)的等離激元透鏡[142]; (b)基于相變材料的平面透鏡調(diào)控光的相前[126]Fig.12.Active plasmonic metalenses: (a)dynamically tunable plasmonic lens between the near and far fields based on composite nanorings illuminated with radially polarized light[142]; (b)engineering the phase front of light with phase-change material based planar lenses[126].

利用超構(gòu)表面也可以有效地調(diào)控光的偏振態(tài).相比于超構(gòu)材料,超構(gòu)表面的厚度更薄且易于集成.例如,Cheng等[59]通過(guò)將石墨烯設(shè)計(jì)成L形狀納米結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)中紅外波長(zhǎng)可調(diào)的寬帶偏振轉(zhuǎn)換,如圖13(a)所示.該結(jié)構(gòu)可以將線偏振光旋轉(zhuǎn)90°,而且通過(guò)改變石墨烯的費(fèi)米能級(jí)可以動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)偏振轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)寬帶效應(yīng).該工作理論證實(shí)了電調(diào)控中紅外光的偏振態(tài),將會(huì)在光學(xué)、分析化學(xué)、分子生物學(xué)等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用.而且Ren等[119]提出新的光重構(gòu)混合超構(gòu)表面,實(shí)現(xiàn)了在可見光頻率下的偏振調(diào)節(jié),如圖13(b)所示.他們通過(guò)光激發(fā)開關(guān)等離激元模式和乙醛紅開關(guān)層中雙同質(zhì)異構(gòu)態(tài)的耦合條件實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)功能,通過(guò)4 mW光能量實(shí)現(xiàn)透射偏振方位角變化超過(guò)20°,實(shí)驗(yàn)證實(shí)了在可見光區(qū)域全光調(diào)控偏振態(tài),將為微型化偏振調(diào)制器件、光顯示器件以及編碼器等應(yīng)用帶來(lái)突破.

超構(gòu)表面的另一個(gè)重要應(yīng)用是發(fā)展全息技術(shù).傳統(tǒng)的多像素超構(gòu)表面通過(guò)控制入射光的偏振可以產(chǎn)生不同的全息圖案.但是,人們通過(guò)掃描入射光的偏振很容易解密全息圖案.這阻礙了超構(gòu)表面全息在數(shù)據(jù)安全和光信息加密等方面的應(yīng)用.最近Yu等[54]利用Janus超構(gòu)表面實(shí)現(xiàn)了可動(dòng)態(tài)調(diào)控的全息,解決了上述難題,如圖14(a)所示.他們使用兩組像素點(diǎn)設(shè)計(jì)相位分布實(shí)現(xiàn)兩種不同的全息圖案,加氫氣前后樣品產(chǎn)生不同的全息圖案,加密信息不能通過(guò)掃描入射光的偏振態(tài)來(lái)破解,氫氣成為解碼關(guān)鍵.該工作在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了在可見光區(qū)域通過(guò)化學(xué)反應(yīng)調(diào)控全息,將會(huì)在新的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、光通訊、現(xiàn)代加密和安全上有重要的應(yīng)用.另外,Malek等[150]通過(guò)在可拉伸的聚合物襯底上構(gòu)造金納米棒也實(shí)現(xiàn)了可重構(gòu)的超構(gòu)表面全息,如圖14(b)所示.超構(gòu)表面全息具有三個(gè)成像平面,當(dāng)對(duì)襯底拉伸時(shí)全息圖像變大并且成像平面的位置也發(fā)生改變.通過(guò)拉伸樣品,多個(gè)不同全息成像的開關(guān)顯示可以被實(shí)現(xiàn),從而實(shí)驗(yàn)證實(shí)了機(jī)械力調(diào)控可見光區(qū)域的全息,為動(dòng)態(tài)重構(gòu)光通信和顯示創(chuàng)造了可能性.

圖13 動(dòng)態(tài)可調(diào)偏振態(tài) (a)基于石墨烯納米結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)可調(diào)的寬帶中紅外偏振變換器[59]; (b)通過(guò)光調(diào)控實(shí)現(xiàn)光偏振態(tài)轉(zhuǎn)換的可重構(gòu)超構(gòu)表面[119]Fig.13.Dynamically tune the polarization states of light:(a)Dynamically tunable broadband mid-infrared cross polarization converter based on graphene nanostructures[59];(b)reconfigurable metasurfaces that enable light polarization control by light[119].

圖14 動(dòng)態(tài)可調(diào)全息 (a)可見光譜下的動(dòng)態(tài)Janus超構(gòu)表面全息[54]; (b)可拉伸襯底上的應(yīng)變多重超構(gòu)表面全息[150]Fig.14.Dynamically tunable holograms: (a)Dynamic Janus metasurface holograms in the visible spectral region[54]; (b)strain multiplexed metasurface holograms on a stretchable substrate[150].

4 討論與展望

值得提到的是,以上涉及的動(dòng)態(tài)可調(diào)等離激元材料和器件的工作波段包括可見光區(qū)、近紅外、中遠(yuǎn)紅外以及太赫茲波段等,各工作頻段主要選用的材料如下：在可見光波段,主要采用鎂、石墨烯、二氧化釩、液晶、透明導(dǎo)電氧化物、各種半導(dǎo)體、各種聚合物等材料; 在近紅外波段,主要采用釔、鍺銻碲、二氧化釩、液晶、透明導(dǎo)電氧化物、各種半導(dǎo)體、各種聚合物等材料; 在中遠(yuǎn)紅外波段,主要采用石墨烯、鍺銻碲、二氧化釩、透明導(dǎo)電氧化物、各種半導(dǎo)體等材料; 在太赫茲波段,主要采用石墨烯、二氧化釩、液晶、各種半導(dǎo)體等材料.

迄今為止,通過(guò)引入多種調(diào)制方式和多種結(jié)構(gòu)成分,可以實(shí)現(xiàn)多種可動(dòng)態(tài)調(diào)控的等離激元材料和器件,并且業(yè)已實(shí)現(xiàn)的那些等離激元結(jié)構(gòu)具有較高的設(shè)計(jì)靈活性,但是未來(lái)構(gòu)建高性能動(dòng)態(tài)可調(diào)的等離激元結(jié)構(gòu)仍然存在許多挑戰(zhàn)[45,47,48].第一,材料受限.比如,已有的可作為周圍環(huán)境的材料在可見光和紅外波段介電函數(shù)的變化相對(duì)較小,導(dǎo)致動(dòng)態(tài)調(diào)控器件性能的幅度不大; 又如,利用相變材料實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)可調(diào)等離激元材料的大部分概念目前只證實(shí)能在兩態(tài)之間切換,導(dǎo)致可動(dòng)態(tài)改變的性質(zhì)很受限制; 再比如,目前人們通常使用金屬材料,從而總是伴隨著內(nèi)稟損耗,影響器件性能.第二,制備技術(shù)受限.盡管目前刻蝕技術(shù)可以精確控制金屬納米結(jié)構(gòu)的幾何,但金屬納米結(jié)構(gòu)的制備步驟復(fù)雜,制作成本高且耗時(shí)長(zhǎng),不能滿足大面積制造的要求.第三,動(dòng)態(tài)調(diào)控的效率受限.比如,雖然強(qiáng)的光泵浦可以提供超快的等離激元調(diào)控,適合某些特定應(yīng)用,但存在功耗高和破壞性熱累積等缺點(diǎn).

為了克服這些局限性和挑戰(zhàn)性,未來(lái)的研究期望可以在以下幾個(gè)方面做些努力.第一,探索新型亞波長(zhǎng)材料,特別是發(fā)展一些金屬/介電等復(fù)合微結(jié)構(gòu)材料,包括研制新型純介質(zhì)微結(jié)構(gòu)材料,用于構(gòu)造動(dòng)態(tài)調(diào)控等離激元器件的多方面需求.當(dāng)前,低損耗、高折射率的介質(zhì)或半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)正成為研究熱點(diǎn),相關(guān)研究在實(shí)現(xiàn)光學(xué)器件的多功能以及與CMOS兼容等方面具有優(yōu)勢(shì)[173].可以預(yù)期,未來(lái)有關(guān)動(dòng)態(tài)調(diào)控金屬、介質(zhì)、半導(dǎo)體(包括某些二維材料)等復(fù)合微納結(jié)構(gòu)的光學(xué)性質(zhì)將備受關(guān)注,多種材料的引入以及多種結(jié)構(gòu)的組合必將提供更多的調(diào)控自由度.第二,發(fā)展動(dòng)態(tài)調(diào)控新原理,比如多個(gè)等離激元結(jié)構(gòu)協(xié)同作用以促進(jìn)多功能調(diào)控和性能優(yōu)化.目前大部分動(dòng)態(tài)可調(diào)的等離激元器件是針對(duì)整個(gè)樣品進(jìn)行調(diào)控的,未來(lái)將逐漸過(guò)渡到多功能集成,并且各功能單元可以進(jìn)行獨(dú)立的動(dòng)態(tài)控制,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)等離激元集成器件的動(dòng)態(tài)協(xié)同操控.另外,還可以將動(dòng)態(tài)可調(diào)等離激元結(jié)構(gòu)從經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)擴(kuò)展到量子力學(xué)領(lǐng)域,例如發(fā)展動(dòng)態(tài)可調(diào)量子等離激元材料和器件[48],在等離激元學(xué)和電子學(xué)之間建立更緊密的關(guān)聯(lián).第三,發(fā)展可以制作大面積動(dòng)態(tài)可調(diào)等離激元結(jié)構(gòu)的先進(jìn)新技術(shù)和新方法.除了聚焦離子束刻蝕和電子束光刻等微納結(jié)構(gòu)制備技術(shù)以外,近年來(lái)激光干涉刻蝕[174]、自組裝[175,176]、納米壓印[177]等技術(shù)逐漸應(yīng)用于制備等離激元結(jié)構(gòu),這些技術(shù)具有運(yùn)用靈活、成本較低、并且適合大面積制作等特點(diǎn),但是在深度亞波長(zhǎng)等離激元結(jié)構(gòu)的大面積制備方面仍然存在問(wèn)題.可以預(yù)期,隨著微納加工和制備新技術(shù)的飛速發(fā)展,動(dòng)態(tài)調(diào)控等離激元材料和器件的研究必將得到更加蓬勃的發(fā)展.

5 結(jié) 論

本文總結(jié)了工作頻段處于可見光至太赫茲波段的范圍內(nèi)等離激元材料和器件的動(dòng)態(tài)調(diào)控研究進(jìn)展 (由于文章篇幅限制,沒(méi)有涉及電磁波譜的其他頻段),闡述了動(dòng)態(tài)調(diào)控等離激元材料和器件的基本原理,即通過(guò)動(dòng)態(tài)改變材料中金屬微納結(jié)構(gòu)的等效介電函數(shù)、動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)外部環(huán)境、動(dòng)態(tài)控制結(jié)構(gòu)中的耦合效應(yīng)等,實(shí)現(xiàn)對(duì)等離激元材料和器件性能的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)控制.并且分別以等離激元材料、等離激元超構(gòu)材料、等離激元超構(gòu)表面等為例,展示在電、光、力、溫度、環(huán)境等外部作用下相關(guān)材料和器件性能的實(shí)時(shí)改變和動(dòng)態(tài)控制.相關(guān)研究目前還處于起步階段,期望借此能推動(dòng)發(fā)展新型亞波長(zhǎng)光電功能材料和器件,應(yīng)用于在動(dòng)態(tài)顯微顯示、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、光動(dòng)態(tài)集成和新型光子芯片、實(shí)時(shí)傳感技術(shù)等領(lǐng)域.