基于金属纳米锥尖的光学天线阵列实现光波检测和光信号放大

据麦姆斯咨询报道，近日，华中科技大学张新宇教授团队在Scientific Reports期刊上发表了题为“Lightwave nano-converging enhancement by an arrayed optical antenna based on metallic nano-cone-tips for CMOS imaging detection”的最新论文，文中提出了一种将金属纳米锥尖构成的光学天线阵列与COMS图像传感器耦合的新检测方法，以实现非常微弱的光波检测和光信号放大，该研究成果为进一步开发具有理想光电灵敏度和宽光谱适用性的光电探测器奠定了基础。

众所周知，表面等离子体（SP）主要来源于表面自由电子与入射光波之间的相互作用，可以在某些金属或半导体材料的表面或界面上被有效地激发。在SP频率与入射光波频率一致且满足动量守恒的条件下，稳定的SP共振可以被预测。因此，在几种常见的金属或半导体结构表面合理设计具有功能性的微纳米结构，可以有效地调节区域SP能量和动量分布，甚至激发其表面传输，这意味着一种有效的可行方法，可以有效地控制或微调定向传播，然后在特定频带内实现表面电磁波的空间共振聚集。

SP向金属纳米尖端（nano-tip）会聚，可以在纳米尺度区域内实现高度集中化，然后显著增强光场。然而，由于固有耗散和辐射损耗，SP共振的局部光场增强因子（LFEF，|E|²/|E₀|²）通常会受到限制。具有高LFEF共振和抑制损耗的等离子体纳米粒子结构对于许多需要强烈共振响应和强烈增强光-物质相互作用的应用非常有益。通常，SP纳米聚焦不仅依赖于激发的表面共振波与构建的图案化微纳结构的相互作用，还被定义为一种透射现象。因此，与普通平面式纳米天线相比，研究人员提出了直立式光学纳米天线阵列。

根据表面电子密度波的一种特征形式，SP将以入射光波的特定偏振方向向单个纳米尖端的顶点传播。由于金属尖端的有效尺寸较小，SP可以更有效地被引导，然后被挤压到纳米尺度空间（例如顶点）中，在纳米尖端的高强度光场限制下，从而呈现出非常强的近场光波共振增强，这通常由纳米尖端的锐度以及作为特殊量子点的顶点的库仑阻塞（Coulomb blockade）决定。

在许多高科技应用和制造业中，例如在民用和国防领域，特别是在现代医学成像和人工智能（AI）领域，迫切需要具有高空间分辨率、高灵敏度和超大阵列规模等多种典型性能的探测器。近年来，基于局部光场增强天线的高灵敏度光电探测器的开发逐渐成为研究热点。到目前为止，研究人员已经实现了一些具有代表性的纳米结构光电探测器，它们具有高光导增益、可控波长灵敏度、快速响应和高效的光电流转换等特点，并且还表现出可调谐光吸收和高载流子迁移率的显著光电特性。

在本论文中，研究人员开发了一种基于镀金玻璃纳米锥尖（GGNCT）的光学天线阵列，用于接收和会聚入射光波，其LFEF可达2 × 10⁴，最大光吸收可达98%。他们制作了具有不同结构尺寸的直立式GGNCT阵列。在633 nm波长处的近场光波测量表明，单个GGNCT上的表面净电荷产生典型的偶极子振荡，能量沿光波矢量方向传输，从而导致强烈的局部光场增强。在此基础上，他们提出了一种将GGNCT阵列和CMOS图像传感器近场耦合的高效成像检测方法。在这种情况下，纳米天线阵列可以看作是放置在CMOS像素前的特殊光学滤波器，使其能够更好地检测增强后的微弱目标信号。通过将CMOS图像传感器与GGNCT阵列耦合，研究人员对波长为473 nm、532 nm、671 nm、980 nm的不同光波进行检测实验，结果表明，GGNCT阵列的吸收峰处可以获得更好的净电荷调节和聚集能力，并且可以获得更强的检测信号。该研究为进一步开发具有理想光电灵敏度和宽光谱适用性的光探测器奠定了基础。

图1 不同结构的GGNCT阵列的SEM显微照片和制造流程

图2 与三种类型的GGNCT阵列耦合的CMOS图像传感器对不同波长入射光波的检测

图3 GGNCT阵列在典型波长（473 nm, 532 nm, 671 nm, 980 nm）处的电场分布

本研究获得了中国国家自然科学基金（No. 61432007和61176052）的支持。

审核编辑：郭婷