[发明专利]一种金属-半导体复合结构、SPPs激发方式及制备方法

说明书

本发明公开了一种金属‑半导体复合结构、SPPs激发方法及制备方法，结构依次包括：透明基底，位于透明基底上的多层介质膜，位于多层介质膜表面的半导体纳米结构，覆盖于半导体纳米结构上的透明介质薄膜以及位于透明介质薄膜上的金属薄膜；半导体纳米结构用于形成金属薄膜表面纳米尺度的缺陷，并产生荧光信号以激发金属SPPs；透明基底和多层介质膜构成双色镜衬底，双色镜衬底对激光高透且对荧光高反；激发方法包括：将波长相对较短的激光透过双色镜衬底后垂直入射到所述半导体纳米结构上，以激发半导体纳米结构产生波长相对较长的单光子荧光信号，进而由荧光信号激发金属薄膜的SPPs。本发明能够提高SPPs的激发效率并降低SPPs的探测难度和探测成本。

技术领域

本发明属于纳米光子学领域，更具体地，涉及一种金属-半导体复合结构、SPPs(Surface Plasmon Polaritons,表面等离子体激元)激发方式及所述复合结构的制备方法。

背景技术

表面等离子体激元(Surface Plasmon Polaritions,SPPs)是指金属等材料表面自由电子的集体震荡。它是一种沿着金属表面传播的非辐射电磁波，具有很好的近场能量局域性及亚波长空间分辨率。金属表面等离子体激元广泛应用于近场局域增强，突破光学衍射极限的方面。表面等离子体能够被电子或光子激发，相较于电子激发方式，光学激发方式对环境要求更为温和友好，因而被广泛采用。

利用光学手段激发金属表面等离子体激元时，存在波矢失配的问题，现有的高数值孔径物镜激发，光栅耦合，棱镜耦合(Otto装置或Kretschmann装置)，或近场扫描光学显微镜针尖散射激发等方式能够很好地解决这一问题，但上述激发方式不仅激发效率较低，而且所需设备体积相对较大，不利于SPPs在微纳光子学领域的应用。另一方面，金属表面等离子体激元属于一种非辐射表面电磁波，无法通过传统的光学显微镜观测；为实现SPPs的观测，可以通过金属针尖将SPPs的近场能量耦合出去，然后利用近场扫描光学显微镜进行探测，但是，近场扫描光学显微镜十分昂贵精密，对测试环境的振动等要求很高。综上所述，目前SPPs激发与探测方式上均存在不足，严重制约了SPPs的研究与应用。

针对上述问题，发表于Nano Letters的两篇文章(Broadband Surface PlasmonPolariton Directional Coupling via Asymmetric Optical Slot Nanoantenna Pair和Efficient Directional Excitation of Surface Plasmons by a SingleElementNanoantenna)中均提出了由于金属表面纳米尺度的缺陷，如凹槽、凸起等，能支持自由空间的光子与SPPs之间的能量交换，因此，利用金属表面纳米尺度的缺陷，既可以实现SPPs的激发，也可以将SPPs辐射到远场，进而通过普通光学显微镜即可实现SPPs的观测。这种利用金属表面缺陷激发SPPs的方式结构非常紧凑，尺寸在亚波长量级，便于SPPs在微纳光子学领域的应用。但空间光子与SPPs在金属表面缺陷态上的耦合作用十分微弱，因此，上述方案中SPPs的激发效率非常低，必须使用很强的激光直接作用于纳米凹槽，才能获得可被观察到的SPPs信号；此外，上述方案中，利用激光直接激发金属SPPs，不利于将微弱的SPPs信号从强激光背景中提取出来。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种金属-半导体复合结构、SPPs激发方式及制备方法，旨在解决现有的SPPs激发技术中激发效率低的问题。