纳米光子超表面在增强光操控和光学传感应用中的潜力

《Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures》：Nanophotonic Metasurfaces for Enhanced Light Manipulation and Optical Sensing Applications

　　

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  石墨烯^-、MoS₂^- 和 WS₂^- 组成的混合超表面提升了光学传感和电磁限制的性能。
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  混合等离子体-介质纳米结构能够更好地控制光，并降低光学损耗。
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  实验验证结合了光谱测量、时域有限差分（FDTD）和有限元方法（FEM）模拟，以准确评估性能。
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  量子点功能化的超表面实现了高灵敏度和多功能的光学传感，适用于生物医学和环境应用。

引言

纳米光子超表面作为一种革命性技术，可以在亚波长尺度上操控光，实现对手柄、幅度、偏振和光传播的前所未有的控制 [1]、[2]、[3]。由于其超薄的结构和紧凑的体积，纳米光子超表面作为传统笨重光学元件的替代品，在传感、成像、通信和量子光子系统中受到了广泛关注 [4]。纳米制造和计算设计的进步推动了超表面技术从实验室演示发展到实际光子器件。此外，有限差分时域（FDTD）和有限元方法（FEM）等数值方法被广泛用于将理论预测与实验测量结果进行比较，并优化器件架构 [3]、[5]。纳米级材料工程可以精确调节光学、电子、热学及表面属性，以及界面的稳定性。固体氧化物燃料电池互连中的纳米氧化物分散体提高了抗氧化性和长期电性能 [6]。用于生物医学应用的多功能纳米平台结合了多模式成像、光动力、光热和化学动力学疗法 [7]，并且设计的纳米材料能够应对复杂的生物环境，如骨转移 [8]。除了多模式成像外，微/纳米马达还展示了用于更好空间限制和信号生成的纳米级结构的发展。除了被动光谱元件外，超表面现在还被用作动态电磁接口，在超大规模MIMO通信中实现波前控制 [9]、[10]，在原子磁力计中实现自旋解耦偏振操控 [11]，以及在热致变色相变系统中实现光热耦合 [12]。这些发展为更完整的光子结构设计提供了可能，使其可以与光学、热学和材料响应有意地耦合。纳米尺度光电子技术的另一个新兴趋势是感知和信息处理的集成。最近在完全范德华光电子铁电器件中展示了集成感知、存储和神经形态计算功能的紧凑型器件，这表明二维材料在高度集成光电子系统中的潜力 [13]、[14]、[15]。尽管这些器件的工作原理与本文研究的光学超表面不同，但它们确实展示了在紧凑架构中集成功能性、光学相互作用和纳米级材料的技术重要性。纳米光子超表面能够实现高性能的折射率传感、生物分子检测和环境监测 [19]、[20]，这是通过它们依赖于广义斯涅尔定律、等离子体/米氏共振、法诺共振以及连续体中的束缚态（BICs） [16]、[17]、[18] 实现的。先进纳米材料、计算工具和超表面工程的结合推动了可扩展生物传感器、集成光子电路、医疗平台和光通信的发展 [1]、[9]。活性纳米材料包括石墨烯（可调导电性）[22]、MoS₂ 和 WS₂（强激子响应）[23]、[24]、量子点（尺寸依赖性发射）[25] 以及相变或混合结构 [26]，并提供了低光学损耗下的动态可重构性和多功能性 [21]。在纳米尺度上，这些几何结构通过透射、反射和近场光谱学进行表征 [28]。它们采用电子束光刻、纳米压印光刻或聚焦离子束铣削技术制造 [27]。最后，尖锐的法诺共振超越了传统光学耗散的极限，为高精度光操控提供了稳健的平台 [29]。最近在等离子体光子晶体光纤和金属-绝缘体-金属结构 [30]、[31] 方面的进展表明，工程化的模式限制可以大大提高实时诊断平台的转换灵敏度。此外，纳米结构超表面与最先进的等离子体异质结材料的耦合 [32] 大幅增强了亚波长界面处的电磁场。然而，大多数先前的工作基于传统的Fano/MIM、PCF或等离子体异质结构用于环境传感 [33]、[34]，这从文献综述中可以明显看出。相反，在这项工作中，我们提出了一个准BIC混合平台，系统地比较了在均匀条件下集成混合架构与孤立配置的性能。这项工作的新颖之处不在于单独引入石墨烯、MoS₂、WS₂ 或半导体量子点（这些之前已经有过研究），而在于它们在一个共同的准BIC纳米光子超表面平台内的系统性集成和比较评估。该工作提供了一种完整的理论-实验方法，用于在相同的结构、光学和折射率传感条件下研究单一材料和混合配置。基于FDTD的参数优化用于调整对称性破坏的准BIC共振并优化电磁限制，通过制造的超表面、光谱测量和微流控折射率传感进行实验验证。在这项工作中，提出的设计通过结合电磁建模和有限差分时域（FDTD）及有限元方法（FEM）模拟，在实验实施之前进行了优化。这项研究使用整合了纳米光刻制造、微流控传感和光谱表征的实验框架，验证了理论预测。最近在纳米光子超表面方面的进展尚未在相同的物理条件下进行系统的比较。材料阻尼、低Quality（Q）因素以及缺乏共同的基准通常限制了此类比较。这项工作介绍了一种高Q值的准BIC混合超表面，克服了这些限制。该超表面由石墨烯/MoS₂/WS₂/QD异质结构和高折射率.hafnium dioxide（HfO₂）纳米填料制成。四个主要目标是：(i) 优化低损耗的近红外介电准BIC平台；(ii) 在相同的数值条件下系统比较单个2D单层和完全集成的混合架构；(iii) 定量局部电场限制和发光增强；(iv) 根据理论极限验证折射率传感。总之，这种经过验证的数值到实验的工作流程表明，混合架构为生物医学诊断、环境监测和集成光子学提供了一个紧凑的、无标记的平台，提供了比单一材料配置更高的灵敏度、场增强、共振质量和荧光响应。

节片段

器件架构

纳米光子超表面因其在亚波长尺度上调节电磁波的能力而受到广泛关注，适用于光子和光学传感应用。现代超表面技术严重依赖等离子体或介质纳米结构来限制光、调节共振和工程化波前。米氏共振和局部表面等离子体共振在折射率传感和成像平台中得到了广泛应用。

FDTD/FEM方法论

该研究提出了一种包含石墨烯、MoS₂、WS₂ 和半导体量子点的混合等离子体-介质架构，以实现先进的纳米光子超表面平台，用于光学传感和光操控。使用低损耗的介质谐振器实现了高光学效率和高的电磁场限制 [21]。过渡金属硫族化合物增强了激子效应和光-物质相互作用，而石墨烯提供了电可调的光学特性。

纳米制造

实验设计采用了混合纳米光子架构，以最大化近场光限制 [42]。高折射率.hafnium dioxide（HfO₂）槽状纳米填料被图案化在透明且双面抛光的熔融石英基底上 [43]。采用高分辨率电子束光刻（EBL）和基于氯等离子体化学（Cl₂/BCl₃）的各向异性反应离子刻蚀（RIE）进行纳米制造，以获得垂直侧壁。

结构和材料表征结果

为了严格考虑理论模拟与实验室观测之间的偏差，表1、表2、表3和表4比较了制造的HfO₂准BIC超表面的标称设计参数和实验测量的尺寸。扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）表征用于验证光刻公差，结果显示纳米填料几何形状的横向偏差为±5nm，平均RMS表面

计算优化和实验室约束

光谱仪采集循环和高分辨率超连续光源实时监控传输曲线，具有0.2nm的精细光谱采样步长。自动化的数据库对齐程序 [46]、[47]、[48]、[49] 考虑了由于制造公差或2D单层中的非局部阻尼导致的任何经验性峰宽展或光谱位移。这种组合控制网络保持了实验观察到的2765 nm/RIU的体转换灵敏度

结论

所提出的混合纳米光子超表面是一种多功能平台，结合了半导体量子点、石墨烯、MoS₂ 和 WS₂，以增强光学传感和光限制。单元格几何结构、对称性破坏参数和多层配置通过FDTD模拟进行了优化。模拟预测了高Q因子、窄共振、强的电场局部化和高折射率灵敏度。这些发现得到了实验验证

CRediT作者贡献声明

A. Mudhafer：研究工作。 Hana H. Inaya：概念化。 Hassan Tarikhum B：方法论。

未引用参考文献

[45]。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。