贵金属纳米微腔结构设计在纳米光子学领域发挥着越来越重要的作用，这主要是一般微腔结构内会产生间隙等离激元（Gap plasmon）效应，会增强局域电磁场，实现将自由空间中的光束缚在纳米微腔内，这样可以实现很强的光与物质相互作用，因此在凝聚态材料物理、光学和交叉学科范畴内相关工作中都会涉及到贵金属纳米微腔结构的设计。

今天我们就介绍一篇2017年美国史蒂文斯理工学院发表在Nature Comunications上的工作（Nature Communications, 2017, 8(1): 1413.）。该工作主要向我们展示了金属等离激元纳米腔与单壁碳纳米管激子耦合来实现Purcell增强单壁碳纳米管量子产率。这是一篇理论模拟和实验相结合的工作，文中用到的仿真模拟软件是光学领域的FDTD软件。但使用强大的COMSOL软件我们可以得到相同的模拟结果，后处理还会更方便，同时后处理的电磁场分布图片更漂亮。

单壁碳纳米管是一维纳米碳材料，它可以作为良好的吸收体和发光体，可应用于包括太阳能转换，生物成像和器件集成量子光子学。然而，单壁碳纳米管的光学量子产率仍然很低（2-7％），并且如果进行光学增强则要求提高量子产率的同时还要保持激子相干性且光子不可分辨性等。

早期将单壁碳纳米管激子耦合到平面表面等离子体的尝试显示没有明显的Purcell效应，而耦合到介电腔中显示FP = 5的中等Purcell因子效应。因此，有希望替代介电腔并对量子产率进行增强提高的潜在方案是金等离激元纳米腔。

这正如我们文章开头提到的，超小模式超强电磁场在间隙内可以实现量子发射器的自发辐射速率显著提高。其实这种效应早在单个分子进入具有等离子体间隙模式的强耦合区域的实验证明，使用等离激元间隙模式，还证明了高达F_P = 1000的大Purcell因子。

因此，等离激元纳米腔是克服碳纳米管的低量子产率并且潜在地提高器件应用效率的最有效的途径。

图1 等离激元微腔耦合碳纳米管系统的概述

a中单个单壁碳纳米管（SWCNT）悬挂在蝴蝶结天线上示意图。为看的清楚起见，SWCNT（直径d <1nm）的刻度明显大于实际尺寸。通过原子层沉积生长2nm的Al₂O₃间隔层将SWCNT与等离激元金基板分离，以防止光学淬火和下面的纳米等离激元间隙模式的短路。

 b.相应电磁场场增强分布轮廓通过有限时域差分（FDTD）方法模拟。比例尺= 100nm。

c.等离激元阵列的明场光学显微镜图像显示四个20×100μm²的条带区域，每个条带包含具有固定间隙尺寸g的蝴蝶结天线，其在10-20nm的条带中变化。较大的特征是金标记，可以重新定位到单个SWCNT。比例尺=20μm。

d.扫描电子显微镜图像显示等离激元系统的高均匀性和取向控制。比例尺=2μm。 e.放大10nm间隙的单个蝴蝶结天线，显示清晰锐利的边缘。比例尺= 100nm。 f.在暗场透射几何结构（灰色）中记录的等离激元共振光谱（品质因子Q = 6）以及780nm泵浦激光光谱（红色）和显示光谱共振的（5,4）SWCNT（蓝色）的激子发射光谱，这光谱显示同时对于SWCNT的吸收和发射。

在上述整体结构设计过程中，有一些部分值得我们学习效仿。首先，通过电子束光刻（图1c-e）制造的蝴蝶结天线阵列覆盖有2nm厚的Al₂O₃间隔层。这提供了距gapplasmon模式所需的距离，以实现主要的辐射复合，并使偶极子发射极的金属损失最小化。Al₂O₃间隔物的另一个重要特性是消除介电环境中的电荷紊乱，强烈降低激子的光谱扩散（SD）。

此外，天线间距为600nm的密集等离子体阵列与平均SWCNT长度相匹配（图1d），提供64％的光收集效率，即使对于大的空间失谐也能保持这种效率。与平面金属镜上的参考SWCNT（32％）的收集效率相比，这导致光收集效率增强因子高达ε= 2（平均ε= 1.7），或者与裸SWCNT相比，在玻璃上ε= 5.1（13％）。通过改变纳米腔的几何参数，可以实现简单的光谱共振，使激子吸收和发射偶极子同时耦合到腔模式，如图1f中的实验所示。

为了显着增强具有已知手性和发射波长的单个半导体SWCNT光谱耦合的可能性，我们通过激光蒸发合成了小直径SWCNT。这些SWCNTs5的共聚物（PFO-BPy）包裹产生具有大量（5,4）和（6,4）半导体SWCNT的分散体，其发射波长良好地定位用于耦合到腔谐振。以这种方式制造的SWCNT分散体在等离子体芯片上干燥。

 因此看似比较简单的结构，但实际上经过很多工艺的优化，实际上上金属结构形状和尺寸，以及Al₂O₃层厚度的设计，都是经过数值仿真模拟进行优化的。仅凭实验上直接盲目的试参数，可想而知不仅浪费时间、经费，还会消减科研工作者的热情。而通过仿真优化，不仅确定具体设计参数，还能进一步得到电磁场增强的倍数，帮助我们理解其中物理过程。

图2 SWCNT分布的高光谱成像。

a中从样品表面扫描的激光杂散光揭示出类似于图1c的结构特征以及沉积材料的特征。b.相同样品表面区域的高光谱拉曼成像，捕获所有SWCNT的G模式声子。c.相同区域的高光谱PL图显示（5,4）SWCNT在855±10nm处过滤。d.相同区域的高光谱PL图显示（6,4）SWCNT在880±10nm处过滤。在3.8K的样品温度下记录数据。比例尺为10μm。

单个SWCNT的空间图和量子光发射。图2a示出了样品表面的杂散光的二维（2D）空间扫描，其显示了标记和蝴蝶结阵列的轮廓，同时它还显示了对应于沉积的分子材料的增强散射光的大区域。为了清楚地识别SWCNT，记录拉曼G带信号的高光谱图像，无论管手性如何，都发现该信号。

图2b中的相应2D扫描显示对应于在大约一半区域中的中等密度的各个SWCNT的亮点。为了清楚地解决（5,4）或（6,4）SWCNT的子集，在图2c中进行了高光谱PL映射，d分别覆盖了位于855和880nm的相应激子PL发射带。由于SWCNT长度（0.5-1μm）接近激发激光光斑尺寸，因此各个SWCNT看起来像预期的近似球形点。以这种方式，具有已知手性的单个SWCNT可以针对它们与等离子体模式的耦合强度进行进一步研究（图2d中的蓝色框）。

图3激子发射的偏振依赖性和量子光特征。

a.中激发偏振激光的示意图，其线性偏振设置为与蝶形二聚体的长轴平行（p-pol，左）或垂直（s-pol，右）。 b.单个SWCNT的光致发光（PL）图，其沿着二聚体轴对于p-pol（左）和s-pol（右）激发进行了对比。

c类似地记录了取向错位的SWCNT的偏振相关PL图。 比例尺为1μm。 d对应的良好对准的SWCNT的PL光谱，具有25：1的大激发偏振消光比。 e在Pexc =200μW激发功率下记录的二阶相关函数g（2）（τ）表明明显的单光子反聚束与g（2）（0）= 0.30±0.06

图4量化E11激子发射的SE增强。

a中作为激励功率的函数的E11零声子线（ZPL）的积分PL强度。红色圆圈是耦合SWCNT的数据，蓝色圆圈用于参考SWCNT（离腔），灰色圆圈用于Si / SiO₂衬底上的裸SWCNT。

b在固定激发功率0.6mW下记录的20个参考SWCNT的ZPL峰强度直方图。 c，d，10个参考SWCNT（c）和21个耦合SWCNT（d）的E11 ZPL的洛伦兹全宽半最大值（FWHM）值的直方图。

e，f 10个参考SWCNT（e）和21个耦合SWCNT（f）的寿命直方图。g. TCSPC在200μW激发功率下记录的E11激子发射的时间动态。灰色方块：背反射激光的系统响应。实线灰色线：单指数拟合表示系统响应。蓝色三角形是参考SWCNT的数据，而实线蓝色是解卷积拟合，其产生τ_off= 248±3ps的单指数衰减时间。红色圆圈是来自耦合SWCNT的数据，并且产率τ_on= 37±3ps（红色实线）。

h.比率σ表示从时间积分方法确定的总速率增强因子（γ_on/γ_off）除以直接通过时间相关单光子计数（TCSPC）测量的γ_on/γ_off。强相关性σ~1表明两种技术都确定了相同的物理量。 I.强度增强因子（EF）与TCSPC的γ_on/γ_off之间的相关性，表明主要的辐射复合。 J. Purcell因子（黑色方块）和量子产率（蓝色方块）是作为测量的γ_on/γ_off的函数。所有数据均以3.8 K记录。

通过上面的实验数据，文章证明了与等离子体纳米腔阵列耦合的SWCNT激子深入到Purcell区域，Purcell因子（FP）高达FP = 180（平均FP =57），Purcell增强的量子产率为62％（平均42％）。腔耦合是确定性的，因为每个SWCNT的光物理特性增强了至少一个数量级。此外，测得的超窄激子线宽（18μeV）达到辐射寿命限制，这有望产生变换限制单光子。

最后，笔者认为这篇文章是利用仿真模拟技术去设计纳米光子学结构的一个非常好的例子。借助仿真模拟能清晰的描述其中光与物质相互作用的过程。借助仿真模拟文章作者可以将金等离激元微腔与激子耦合作用过程在实验上设计的如此精巧，数据如此充实。再一次展示了数值仿真在器件结构设计、物理机制阐释等方面发挥越来越重要的作用，会在未来各个科研领域中展示出它的巨大潜能。