科学家设计新型纳米结构，有望打造基于纳米天线的光学纳米晶体管

近日，俄罗斯圣彼得堡国立信息技术机械与光学大学助理教授孙雅丽和团队，设计了一种共振的金属/高折射率半导体单个纳米结构（MSN，metal/high-refractive-index semiconductor nanostructure）。

图 | 孙雅丽（来源：孙雅丽）

在飞秒激光的帮助之下，可以改变金属纳米结构的外形，同时还能产生热载流子。而光生载流子在金属-半导体界面处，会分离形成肖特基势垒，从而创建静电场 Edc。

由于所产生的静电场 Edc 与 MSN 半导体纳米结构的三阶极化率 χ（3） 相互作用，对于有效二阶极化率 χ（2）eff 会产生调制作用(ISHG(2ω) = |χ(2) +χ(3)Edc|2ISHG(ω)=|χeff(2)|2ISHG(ω))。

因此，利用二次谐波信号可以探测生成的静电场，并且二次谐波信号对激发强度的依赖性变为非二次，而这便是电场诱导二次谐波产生（electrical-field-induced second harmonic generation，EFISH）的三阶非线性过程。

而在同样的激励条件之下，硅纳米薄膜和硅纳米球并不会生成电场，因此仍然具备二次的谐波信号/激发强度依赖性。

为了更好地探测这个电场，课题组将 MSN 半导体结构设计成非共振模式，减弱源自半导体结构的二次谐波信号的共振增强。

而 MSN 金属结构被设计为二次谐波波长处等离子体共振，从而能够增强二次谐波信号。

除了非二次谐波信号/激发的强度依赖性，MSN 时间相关的二次谐波信号同样证明了光生电场的存在。

因此，二次谐波信号/激发强度依赖性也存在时间相关性，在不同激光强度下的饱和时间约为几十秒。

为了估算电场值、以及金属功函数和硅表面密度对于载流子浓度的影响，课题组利用漂移-扩散模型进行了理论研究，

结果发现在低脉冲强度之下，二次谐波信号的主要贡献来自硅表面的缺陷，此时二次谐波信号对激发功率的依赖关系是二次的。

当强度超过 7GW/cm2 时，光生载流子在金属-半导体界面形成了静电场，这时 EFISH 效应会占据主导地位，信号对于激发功率的依赖关系变为非二次。

由于理论研究和实验结果相互吻合，因此他们估算发现纳米天线中全光激励产生的静电场值高达 108V/m。

图 | 单个金属-半导体纳米粒子内的电场生成与探测（来源：Light: Science & Applications）

目前，该团队已经在单个纳米粒子内实现了高效光生电场，尺度在 20-200nm 级别，未来有望用于创建基于纳米天线的光学纳米晶体管、存储器和可编程逻辑器件等。

据了解，作为一种强大的工具，电场一直被纳米芯片所用，并促进了光电纳米探测器件的发展。

尽管通过外部电路针对微纳结构施加电压，也可以有效地控制光电信号。但是，这种控制无法在超快时间尺度上进行，因为所需的电压通常较高，并且在高工作频率之下电流会变得不可持续。

而对于宽带应用来说，需要在皮秒甚至更短的时间尺度上操控光电信号，这就要求通过全光学配置而非直接施加电压来控制光电信号。

在纳米光子学中，局部电场可被视为是发现一系列纳米天线特性的关键，而这些特性源于固态材料和光学谐振。

具有光学/电学双重功能的纳米天线，对于纳米光子处理器可谓至关重要，它能为制造基于纳米天线的神经形态器件奠定基础。

因此，在纳米光子学的发展中，下一个具有挑战性的步骤，便是在单个谐振纳米天线内实现可控的电场生成。基于此，孙雅丽和团队开展了本次研究。

事实上，本次课题是此前工作的延展。之前，他们利用飞秒激光改变了金属-半导体纳米粒子的金属外形，从而对金属-半导体结构的光学性质进行精准调控。

在这种情况之下，还要精准地控制飞秒激光的激励参数，比如脉冲重复频率、辐射时长、能量密度、光斑尺寸等。

在前期工作之中，他们发现在低脉冲重复频率（80MHz—50Hz）之下，可以对特殊金属-半导体界面进行塑性，从而形成肖特基势垒产生电场。

为了证明本次实验结果的准确性，他们针对多个金属-半导体粒子反复进行同样的实验，并在同等实验条件之下，针对半导体薄膜和纳米球开展同样的实验，随后在理论层面开展了模拟计算。

期间，他们经历了实验室整体搬迁和教学楼坍塌两大事件。实验室搬迁延缓了实验进展，而本次实验对于精度的要求特别高，仪器拆装再整合、以及不同的工作环境，都会对数据精度产生一定影响。

因此，大部分之前做完的实验必须重复测量，以确保数据的真实可靠性。在实验尾声，由于课题组所在的实验楼是历史古迹，其内部从五楼坍塌至二楼（至今仍在修补）。

而虽然他们的实验室在地下一层，但是短时间内大家都不敢进实验室做实验。经历数月之久的检测之后，他们才陆续恢复实验。

而由于担心影响坍塌问题影响实验精度，他们不得不再一次重复一些实验，以至于这个工作的实验时间长达三年之久，但是也确保了实验数据的准确度。

最终，相关论文以《单金属半导体纳米天线中静电电场的全光生成》（All-optical generation of static electric field in a single metal-semiconductor nanoantenna）为题发在 Light: Science & Applications[1]。

孙雅丽是第一作者，圣彼得堡国立信息技术机械与光学大学德米特里·祖埃夫（Dmitry Zuev）教授担任通讯作者。

图｜相关论文（来源：Light: Science & Applications）

另据悉，这项研究被评选为圣彼得堡国立信息技术机械与光学大学 2023 年度最重大的研发项目之一（共 12 项）。

孙雅丽也被邀请在新闻媒体上分享研究经历，并与其它 11 项研究的负责人一起登上圣彼得堡国立信息技术机械与光学大学 2024 年度官方日历。

（来源：孙雅丽）

另据悉，孙雅丽于 2014 年本科毕业于武汉理工大学，2015 年从华中科技大学赴圣彼得堡国立信息技术机械与光学大学交流访问。

2017 年，她获得华中科技大学的硕士学位。同年，孙雅丽申请获得了国家留学基金委国家建设高水平大学公派研究生项目的支持，随后赴圣彼得堡国立信息技术机械与光学大学攻读博士，2021 年获得博士学位。

博士毕业之后，她在圣彼得堡国立信息技术机械与光学大学担任助理教授，目前组里有两位硕士和三位本科生，另一位硕士已于 2022 年毕业。

参考资料：

1.Sun, Y., Larin, A., Mozharov, A.et al. All-optical generation of static electric field in a single metal-semiconductor nanoantenna. Light Sci Appl 12, 237 (2023). https://doi.org/10.1038/s41377-023-01262-8

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