无刻蚀纳米结构用于等离子体增强化学气相沉积生长的硅纳米晶的光致发光调控

《Advanced Photonics Research》：Etch-Less Nanostructures for Photoluminescence Modification From Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition-Grown Silicon Nanocrystals

　　

在覆盖有薄的一维或二维光刻胶光栅的波导中形成了导模共振（GMRs）和连续谱中的（准）束缚态（QBICs）。为了实验研究这些模式与嵌入发光体的耦合，研究人员采用大面积激光干涉光刻（LIL）在含有嵌入氧化物基质中的硅纳米晶的波导上制备了这种光刻胶纳米结构。研究人员利用角度分辨光致发光（ARPL）测量，测量了由简单光刻胶光栅支持的GMRs和对称性保护QBICs对硅纳米晶光致发光及其方向性的影响，从而使研究人员能够绘制光子模式的色散关系。观察到了实验上有限品质因子高达600的尖锐发射峰。无需使用等离子体刻蚀即可创建对称性保护QBICs，这减少了因表面缺陷导致的非辐射复合，简化了整体制备工艺，并扩展了可使用的发光体和波导材料的范围。所提出的结构可在近红外以及光学频率的生物纳米传感器中找到应用。

**论文解读：无刻蚀纳米结构调控硅纳米晶光致发光的研究**

**研究背景与动机**
导模共振（GMRs）和连续谱束缚态（BICs）因其高品质因子（Q因子）在传感、滤波和波前整形等领域具有重要应用潜力。高Q因子对应共振时纳米结构内部的强场集中，可增强光-物质相互作用。然而，传统制备方法常依赖等离子体刻蚀，这会引入侧壁粗糙度、倾斜侧壁及长程不均匀性等缺陷，导致非辐射复合增加，限制了发光效率与材料选择范围。硅纳米晶作为量子发光体，具有尺寸可调的光致发光（PL）特性，在光子集成回路、显示器和生物传感器中前景广阔。但如何有效耦合其发光到高Q光子模式，同时避免制备损伤，是当前研究的关键问题。本研究旨在利用无刻蚀的浅层光刻胶光栅结构，在波导中实现GMRs和对称性保护QBICs，以调控硅纳米晶的发光光谱和方向性，并探索其在高性能纳米光子器件中的应用。论文发表在《Advanced Photonics Research》。

**研究核心内容与结论**
研究人员通过等离子体增强化学气相沉积（PECVD）在熔融石英衬底上生长了含硅纳米晶的SiOx薄膜作为波导层，随后采用大面积激光干涉光刻（LIL）在波导表面制备了30 nm高的一维光刻胶条纹光栅和二维光刻胶圆盘阵列。通过有限元模拟（COMSOL Multiphysics）计算了光子能带结构，并利用角度分辨光致发光（ARPL）实验测量了不同发射角下的PL光谱，从而绘制出光子模式的色散关系。实验观察到尖锐的PL发射峰，其Q因子最高达600（受限于实验分辨率）。研究表明，浅层光刻胶光栅虽仅产生微小光子带隙，但能有效耦合波导模式，增强近垂直方向的出射光。QBICs模式虽具有理论上无限高的Q因子，但由于其辐射损失极低，实际PL强度弱于GMRs模式。二维圆盘阵列的结构进一步引入了侧向衍射导致的额外能带，丰富了光谱调控能力。该无刻蚀制备方法避免了等离子体刻蚀引起的表面缺陷，简化了工艺，并扩展了可用的发光体和波导材料。

**主要关键技术方法**
（1）**PECVD生长硅纳米晶**：在熔融石英衬底上沉积富硅SiOx薄膜，经1100°C退火形成直径约3.2 nm的硅纳米晶，随后在500°C下进行氢钝化处理以提高辐射效率。
（2）**激光干涉光刻（LIL）**：利用Lloyd镜干涉系统，以266 nm激光对光刻胶进行曝光，经显影后形成一维条纹（周期465 nm）或二维圆盘阵列（周期475 nm，高度30 nm）。
（3）**有限元模拟（COMSOL）**：采用Floquet周期边界条件计算1.布里渊区内波导模式的色散关系及Q因子分布。
（4）**角度分辨光致发光（ARPL）**：通过环形光阑选择特定发射角，测量不同角度下PL光谱，映射光子模式色散。

**研究结果**
**3.1 一维周期扰动（光栅）的光子能带结构**
模拟表明，一维光栅在Γ点（k_x=0）处形成GMRs（A_TE、A_TM带）和对称性保护BICs（B_TE、B_TM带）。GMRs具有对称电场分布，导致向上辐射增强；BICs具有反对称电场分布，远场辐射完全相消，理论Q因子趋于无穷。但BICs在偏离Γ点时Q因子迅速下降，形成准BICs（QBICs）。由于光栅高度仅30 nm，光子带隙极窄（TE带0.19 meV，TM带0.72 meV），能带在Γ点附近几乎呈线性。

**3.2 二维周期扰动（方阵）的光子能带结构**
二维圆盘阵列在Γ点附近出现四组能带（A、B、C、D），其中A带（GMRs）和B带（BICs）与一维类似，新增的C、D带源于沿y方向的侧向衍射。TE-like和TM-like模式之间形成微小带隙（5.8 meV和3.7 meV）。电场分布与一维情况一致，对称性决定模式性质。

**3.3 光致发光测量**
**3.3.1 常规PL**：对一维光栅和二维圆盘阵列进行积分PL测量，发现结构区域的PL强度明显高于非结构区域。一维光栅增强约1.4倍，二维阵列增强约2倍，表明光子模式促进了波导光向外的耦合。

**3.3.2 一维光栅的ARPL**：利用环形光阑选择不同发射角α，测量PL峰波长。通过色散关系k_x = (2π/λ₀)·sinα，实验绘制了光子能带结构，与模拟结果吻合。GMRs对应的PL峰强度显著高于QBICs，原因是QBICs辐射损失极小，导致远场信号弱。实验测得的Q因子最高达640（TE-GMR），受限于环形光阑的角分辨率（最小角度0.5°）。

**3.3.3 二维圆盘阵列的ARPL**：二维阵列的ARPL谱中，TE和TM偏振下均出现四个峰，分别对应A、B、C、D能带。通过角度依赖性和偏振分析，识别了各峰的模态来源。C、D带源于沿y方向传播的波经侧向衍射后产生的辐射。实验色散图与模拟一致，但存在约0.7°（x方向）和0.3°（y方向）的偏移，修正后吻合良好。

**3.4 讨论**
实验证实了浅层光刻胶光栅能有效改变硅纳米晶的发光方向性，特别是在近法线方向。GMRs的辐射峰显著增强，而QBICs的发光强度较弱，但其高Q因子理论上可通过Purcell效应增强辐射速率。然而，由于硅纳米晶尺寸分布导致的不均匀展宽，以及光子态密度在Γ点附近极小的k空间范围，Purcell效应的影响尚不明确。未来可通过提高光刻胶高度来增大散射强度，扩展平带区域，但需注意避免模式与活性层重叠减少及高阶模式干扰。时域PL测量是区分辐射增强与单纯重定向的关键。

**结论翻译**
研究人员设计并制备了覆盖在SiOx基质中嵌入的硅纳米晶层上的浅层一维和二维周期光刻胶纳米结构，并研究了其对发光体集合发光特性的影响。非结构样品的宽带发光被纳米结构的共振模式强烈改变。实验检测到PL峰，其Q因子最高达600（受实验条件限制）。通过ARPL测量，明确了观测光谱峰的模态来源，并绘制了受扰波导模式的光子能带结构。PL峰的谱位置及实验推导的能带结构定性行为与模拟结果吻合良好。实验表明，即使引入浅层聚合物光栅，也能强烈改变发光，并通过增强整体耦合增加内部波导发射的向上辐射。发射光谱的受控分布由一维和二维光刻胶纳米结构的光子能带结构决定。优化光刻胶高度和占空比可能提高近垂直方向的出射效率，而原本这部分光会被限制在波导层内。调控周期可实现对特定波长发射的定向引导——该概念可应用于LED中利用简单、大面积、低成本纳米结构增强出光。将发射耦合到波导中可能推动下一代纳米光子器件（如片上光谱学）的发展。此外，精确控制选定波长的发射方向以及通过检测光学系统的数值孔径调控光束半高宽，可导致具有更高信噪比的角选择传感器。然而，为明确判断QBIC处是否因Purcell效应产生整体发射增强，需进行时间分辨测量以监测纳米晶发射在共振和非共振条件下的衰减常数。