FOE | 龚旗煌院士团队|基于平面介质硅非对称纳米光栅与J聚集态染料薄膜耦合的激子极化激元

《Frontiers of Optoelectronics》期刊近日发表了北京大学物理学院、纳光电子前沿科学中心、人工微结构和介观物理国家重点实验室龚旗煌院士团队撰写的有关光腔极化激元的论文，他们通过在平面介质硅非对称纳米光栅上放置掺杂TDBC的PVA纳米薄膜来构建一个紧凑的低损耗光子-有机纳米结构，并揭示了其中的极化激元模式。这项工作为低损耗新型极化激元应用的实现提供了契机。

         Exciton polaritons based on planar dielectric Si asymmetric nanogratings coupled with J-aggregated dyes film Zhen CHAI, Xiaoyong HU, Qihuang GONG Front. Optoelectron.. 2020, 13 (1): 4-11. 

研究背景

局域光场通常出现在金属等离激元结构和光腔中，由于光子的局部化分布，局域光场中可能产生光子与物质之间的强相互作用。当腔内光子与共振激子之间的耦合作用强度大于损耗时，就可能形成激子极化激元。由于其固有的凝聚和强非线性，激子极化激元在低阈值激光器、全光逻辑器件和量子器件等领域显示出巨大的潜力。近年来，许多研究小组利用材料激子与金属结构、垂直法布里-珀罗腔或者分布式布拉格反射器（DBR）中局域光场之间的强耦合来开发激子极化激元纳米结构。金属纳米结构具有结构紧凑的优点，但存在固有的欧姆损耗；而纳米结构的DBR型激子极化激元器件制备困难，容易破坏激子材料层。因此，探索低损耗、结构设计和制造灵活的新型纳米结构成为该领域的重要课题。与金属等离子体-激子系统相比，介质光子-激子相互作用系统的固有损耗更小，因此可以有效地提高传输对比度和传播长度，从而拓展激子极化激元的潜在应用领域。未来的探索可以集中在可见光波段用低损耗介质材料代替硅的新型光子纳米结构、介质光子-激子相互作用系统的时间动力学过程，以及基于介质光子-激子系统的全极化激元器件和回路的实际结构。

内容简介

J-聚集态有机染料分子具有很强的激子特性，激子可以在室温下稳定存在，由于两根近邻i非对称纳米线之间存在的局域光场与其具有相同的共振频率，狭缝中局域的光子与TDBC材料中的激子具有很强的相互作用。本文从理论上证明了局域在平面介质硅非对称光栅附近的光子与J聚集态染料纳米薄膜中激子之间的强耦合可以产生激子极化激元，这种耦合可以通过两个极化激元分支色散曲线的反交叉得到证明，当TDBC层厚度为2 nm时，Rabi分裂扩展到117.16 meV。

图文导读

图1 平面介质硅非对称纳米光栅和TDBC薄膜的特性。（a） 平面介质硅非对称纳米光栅-TDBC薄膜系统示意图。硅纳米线A和B的宽度分别为110 nm和100 nm，之间的狭缝宽度为20 nm，硅纳米光栅的周期为320 nm。黄色区域代表该系统中的局域光场。（b） 掺TDBC的PVA薄膜介电常数的实部和虚部。（c）x偏振光入射时，无TDBC薄膜、周期320 nm的硅纳米光栅的透射谱。（d）硅纳米光栅在568 nm共振波长处的电场分布。（e）硅纳米光栅-TDBC耦合系统的透射谱。

图2 x偏振光入射时介质硅非对称光栅-TDBC激子系统透射特性随周期变化的计算结果。（a）和（b）分别是周期在290～400 nm范围内调谐时有TDBC膜和没有TDBC膜的介质硅非对称光栅的透射谱。（c）极化激元上分支（UPB，橙色气泡）和下分支（LPB，蓝色气泡）的能量与硅纳米光栅周期的关系，实线为耦合振子模型的拟合结果，虚线是非耦合硅纳米光栅共振极小值和TDBC激子的能量，双头箭头代表Rabi分裂能量。（d）、（e）和（f）是硅纳米光栅周期为320 nm时，UPB波长568 nm、激子波长590 nm、LPB波长598 nm处硅光栅-TDBC薄膜系统中的电场分布。

图3 硅纳米线高度在90-150 nm之间变化时与TDBC耦合（a）和不与TDBC耦合（b）的硅非对称纳米光栅的透射特性。（c）和（d）分别是在硅纳米光栅高度为90 nm和50 nm时无TDBC薄膜的硅纳米光栅中的电场分布。

图4  硅纳米线B的宽度在80-140 nm范围内变化时（（a）和（b）），以及硅纳米线A和B之间的狭缝宽度在10-45 nm范围内变化时（（c）和（d）），有（（a）和（c））和没有（（b）和（d））相互作用的TDBC薄膜时硅纳米光栅的透射谱。