[论文解读] Hyper-doped silicon nanoantennas and metasurfaces for tunable infrared plasmonics

Jean‐Marie Poumirol, Clément Majorel+12 more|arXiv (Cornell University)|Nov 16, 2020

Plasmonic and Surface Plasmon ResearchEngineering参考文献 43被引用 20

一句话总结

本文展示了基于超掺杂硅纳米盘（Si-NDs）的全硅等离子体超表面，在中红外波段（2–5 μm）实现可调谐局域表面等离子体共振（LSPR）。通过脉冲激光热退火技术，在直径100 nm、高度23 nm的Si-NDs中实现高达10²¹ cm⁻³的载流子浓度，作者实现了强烈的红外吸收与反射调制，模拟结果证实了近场耦合与晶格周期性效应，从而实现对吸收率与反射率的独立调控。

ABSTRACT

We present the experimental realization of ordered arrays of hyper-doped silicon nanodisks, which exhibit a localized surface plasmon resonance. The plasmon is widely tunable in a spectral window between 2 and 5 $\\mu$m by adjusting the free carrier concentration between 10$^{20}$ and 10$^{21}$ cm$^{-3}$. We show that strong infrared light absorption can be achieved with all-silicon plasmonic metasurfaces employing nano-structures with dimensions as low as 100\\,nm in diameter and 23 nm in height. Our numerical simulations show an excellent agreement with the experimental data and provide physical insights on the impact of the nanostructure shape as well as of near-field effects on the optical properties of the metasurface. Our results open highly promising perspectives for integrated all-silicon-based plasmonic devices for instance for chemical or biological sensing or for thermal imaging.

研究动机与目标

• 开发具有可调谐局域表面等离子体共振（LSPR）的全硅等离子体超表面，工作波段为中红外（MIR）范围。
• 通过使用具有高自由载流子浓度的超掺杂硅纳米结构，克服贵金属与高折射率介质在中红外等离子体学中的局限性。
• 通过脉冲激光热退火（LTA）实现硅纳米盘的精确、均匀掺杂，以实现可扩展、与CMOS工艺兼容的制造。
• 通过调控Si-NDs中的载流子密度，实验演示在2–5 μm波段内实现强红外光吸收与可调谐LSPR。
• 利用数值模拟与实验验证，研究并量化密集超表面中的近场耦合与集体效应。

提出的方法

• 采用自上而下的方法在绝缘层上硅（SOI）衬底上制备硅纳米盘（Si-NDs），其硅顶层厚度为23 ± 2 nm，埋氧层（BOX）厚度为20 nm。
• 以低能量（4 keV）注入磷（P），通过四次递增剂量实现载流子浓度在10²⁰–10²¹ cm⁻³范围内的调控。
• 应用脉冲激光热退火（LTA）技术，在突破固溶度极限的同时保持单晶结构。
• 采用格林双矢量方法（GDM）结合有效极化率近似，对截锥形结构的超表面光学响应进行模拟。
• 通过对比存在与不存在Si-NDs之间偶极相互作用的模拟情况，将近场耦合效应纳入模拟中。
• 系统性地将晶格周期性（Si-NDs之间的间隙）从50 nm调节至500 nm，以研究相干散射与干涉效应对反射率与吸收率的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 超掺杂硅纳米盘是否可在中红外波段（2–5 μm）支持可调谐局域表面等离子体共振（LSPR）？
• RQ2 脉冲激光热退火在不破坏结晶性的情况下，能否实现硅纳米结构中均匀、高浓度的掺杂？
• RQ3 近场耦合与集体散射效应对密集Si-ND超表面的反射率与吸收率有何影响？
• RQ4 能否将晶格周期性作为独立控制参数，调节反射率同时保持吸收率恒定？
• RQ5 三维纳米盘形状与光学近场相互作用在决定全硅超表面LSPR响应中起何种作用？

主要发现

• 通过将自由载流子浓度从10²⁰调整至10²¹ cm⁻³，Si-ND超表面在2.5–5 μm波段内表现出可调谐的LSPR峰。
• 在LSPR频率处观察到10%的透射率下降，表明尽管纳米盘尺寸（100 nm直径）远小于2–5 μm的波长，仍实现了强烈的红外光相互作用。
• Si-NDs之间的近场耦合使反射率提高约20%，并与孤立纳米盘相比导致共振峰发生轻微红移。
• 当Si-NDs间距从500 nm减小至50 nm时，单位面积反射率增加超过10倍，这是由于相干散射与相长干涉所致。
• 在不同晶格间距下，单位覆盖面积的吸收率基本保持不变，表明近场耦合主要增强反射率而非吸收率。
• 采用格林双矢量方法（GDM）结合有效极化率的数值模拟，与实验测得的反射率与透射率光谱具有极佳的定量一致性。