基于非彈性電子隧穿的表面等離激元激發

鄭鈞升,劉璐芳,潘陳馨鈺,郭 欣,童利民，王 攀

(浙江大學光電科學與工程學院，現代光學儀器國家重點實驗室，杭州 310027)

0 引 言

表面等離激元是一種存在于金屬(或摻雜半導體)-介質界面的電磁極化和振蕩現象[1-3]，分為傳導型表面等離極化激元(surface plasmon polariton, SPP)和局域型表面等離激元共振(localized surface plasmon resonance, LSPR)兩種類型。利用表面等離激元可以突破光學衍射極限將光場約束在亞波長范圍內并獲得增強的局域場，從而顯著增強納米尺度光與物質的相互作用。在過去十幾年中，研究者們對表面等離激元進行了廣泛且深入的研究，已經發展出基于表面等離激元的波導[4-6]、超快調制[7-11]、探測[12-13]、生化傳感[14-15]、納米激光器[16-18]以及非線性光學[19-20]等一系列重要應用方向，并不斷獲得突破性進展。表面等離激元的產生一般采用受衍射極限限制的光學激發方式[1,21-24]。對于傳導型SPP結構，為了實現光子和SPP的波矢匹配，通常需要棱鏡、光柵、近場探針等大尺寸光學元件的輔助[1,21-22]；而對于單個LSPR納米結構的激發，通常采用基于顯微鏡系統的暗場散射方式[23-24]。這些激發方式不僅使得器件整體結構龐大同時也引入較強的背景噪聲，極大地限制了等離激元器件的小型化及片上高密度集成，也阻礙了等離激元器件和微納電子器件間的有效結合。因此，亟須發展一種高效且緊湊的等離激元電激發技術。早在1957年， Ritchie[25]在理論上提出利用高能電子可以直接激發金屬納米結構中的表面等離激元響應。隨后，研究者們基于電子顯微鏡系統利用高能電子束(～30 keV)分別實現了SPP[26-27]和LSPR[28]的激發。該方法具有激發位置高度局域且精確可控的優勢(空間分辨率達幾納米)，適合于等離激元模式分布特性的實驗研究。但是，基于高能電子束的電激發方式需要高電壓及高真空環境，極大限制了該激發方式在實際器件中的應用。通過將電驅動的微納光源與SPP波導結構以近場耦合方式集成也可以實現緊湊的SPP激發[29-33]。例如，2014年， Huang等[32]通過將電驅動的半導體量子阱納米發光二極管和等離激元狹縫波導耦合起來，實現了片上SPP鏈路的激發，其等離激元激發效率約為10-7；2017年，北京大學Liu等[33]利用電激發的碳納米管陣列實現了片上SPP波導的激發，激發效率約為10-5。但是，上述電驅動納米光源尺寸仍然相對較大且制備工藝復雜，電-等離激元轉換效率低。

近年來，隨著納米加工制備技術的不斷發展，表面等離激元研究逐漸向量子尺度延伸[34-37]。其中，具有納米尺度介質間隙的金屬-絕緣層-金屬(metal-insulator-metal, MIM)納米結構受到研究者們的廣泛關注。在高度局域的MIM納米結構中，極端約束下的光子、電子、準粒子等之間可以發生相互耦合和轉換，產生了一系列突破性研究成果[38-44]，為基于表面等離激元的新器件和新應用研究提供了契機。特別地，利用電子隧穿效應可以直接實現等離激元電激發(見圖1(a))，具有超小尺寸和超快響應等優點，為電驅動等離激元器件的研究和應用提供了新的途徑。本文將在介紹基于電子隧穿效應等離激元電激發的基本原理和早期研究成果基礎上，重點介紹該研究領域在近期所取得的突破性進展，包括SPP和LSPR的激發以及對其輻射方向性的控制，最后簡單討論未來研究需要關注的一些問題。

1 基于電子隧穿的等離激元激發初期研究

根據量子力學原理，當MIM結構中絕緣層厚度足夠小(～1 nm或更小)時，即使電子沒有足夠能量越過絕緣層間隙所形成的勢壘，由于電子的波動性，它們仍有一定的概率從MIM結構的一側金屬“隧穿”經過勢壘到達另一側金屬。這種可以觀察到電子隧穿現象的MIM結構通常被稱為隧道結，當在隧道結兩側金屬上施加一定的偏壓(Vb)時，隧穿過絕緣層的電子形成隧穿電流，該電流的大小隨著絕緣層厚度的增加呈指數型快速減小。利用該效應并結合壓電陶瓷微位移控制技術，IBM的Bining等[45]發明了掃描隧道顯微鏡(scanning tunneling microscope, STM)，使得人類首次“真實”地觀察到構成物質的基本單元(分子和原子)，并可以對它們進行操縱，極大提高了人類認識和操控微觀世界的能力。

在施加偏壓Vb的隧道結中，電子發生隧穿有兩個通道，分別是彈性電子隧穿和非彈性電子隧穿。在彈性電子隧穿過程中，電子隧穿獲得的能量(eVb)沒有損失；而在非彈性電子隧穿過程中，電子損失掉部分或全部的能量。該現象被研究者們用于激發隧道結內有機分子的振動模式，可以實現對分子結構、取向等的高靈敏度測量[46-47]，從而形成了一種名為非彈性電子隧穿譜(inelastic tunneling spectroscopy, IETS)的分析測量技術。1976年，Lambe和McCarthy[48]在相關研究中發現，當在Al-Al2O3-Ag(或Au)平面隧道結(制作在表面粗糙的CaF2薄膜上)上施加偏壓(幾伏)時，銀膜表面會均勻地輻射可見光。隨著偏壓的不斷增加，其發光顏色逐漸由深紅色(～2 V)變為橙色和藍白色(～4 V)。相應的發光譜寬且連續，并且存在一個高頻截止頻率ωc(滿足能量守恒條件：?ωc=eVb，其中，?是約化普朗克常數，e是元電荷)，其外量子效率(external quantum efficiency, EQE)約為10-5。顯然，這種發光現象不同于半導體p-n結中的發光(發光來自電子和空穴的復合，光譜主要取決于材料的禁帶寬度)，其發光本質是一種量子現象，即電子非彈性隧穿激發隧道結的等離激元模式(這種同時支持表面等離激元和電子隧穿的MIM結構在本文中稱為等離激元隧道結)，隨后該等離激元模式在一定條件下輻射衰減發光，如圖1(a)所示。具體地，當在等離激元隧道結上施加一定的偏壓時(見圖1(b))，大部分電子發生彈性隧穿，在隧道結另一側以“熱電子”形式出現；然而，部分電子發生非彈性隧穿，其損失的能量可以激發等離激元隧道結支持的等離激元模式，隨后該等離激元模式在一定條件下以SPP形式或者自由空間光子形式輻射出去。之后二三十年間，研究者們從理論和實驗層面對此開展了廣泛且深入的研究，通過引入表面粗糙度、金屬納米顆粒、光柵結構等手段來調控和增強等離激元激發和發光效率[49-54]。1988年， Gimzewski等[55-56]在STM中由金屬探針和基底構成的隧道結上也發現了類似的基于非彈性電子隧穿的發光現象。進一步研究表明，其發光特性與STM探針針尖和金屬基底的材料構成和形貌以及兩者間的距離等息息相關。盡管基于STM內隧道結的等離激元激發和發光效率同樣較低，但該技術提供了一種在納米級別空間分辨率下研究金屬納米結構中LSPR特性的手段[57-61]。例如， Martín-Jiménez等[61]利用金探針在單晶銀表面上方不同距離處激發局域等離激元模式，實現了meV頻率分辨率下對等離激元偶極模式和四極模式的光譜響應與間隙大小的關系研究，并揭示了輻射模式與非輻射模式各自對總光學態密度的貢獻。另外，基于STM系統利用隧穿電子也可以激發半導體或分子的電子態從而產生光子輻射[62-64]，通過研究其發光光譜并結合STM的形貌表征能力，還可以實現高時空分辨率的單分子甚至單原子尺度的物理和化學結構表征和檢測[65-66]，特別是中國科學技術大學董振超教授研究組[63-64,66]在這方面做了大量的工作。

圖1 (a)MIM結構中基于電子隧穿的等離激元激發和發光示意圖； (b)MIM隧道結在外加偏壓下電子彈性和非彈性隧穿過程示意圖

因此，利用電子非彈性隧穿效應可以在低電壓和大氣環境下實現等離激元的直接激發，同時等離激元輻射衰減產生的發光現象也使得電激發等離激元隧道結有望成為一種新型的電驅動微納光源。但是，早期研究主要基于大尺寸平面隧道結結構和STM系統，量子效率較低且難以集成，極大地限制了基于電子隧穿效應的等離激元激發和發光技術的實際應用。

2 基于非彈性隧穿的電驅動等離激元納米天線

雖然基于非彈性電子隧穿的等離激元激發方式在研究初期面臨激發效率和集成兩方面的挑戰，但由于其具有超小尺寸、超高調制帶寬(得益于其飛秒量級的電子隧穿時間[67])、低電壓激發等潛在優勢，近50年來一直吸引著研究者們的關注。早在1977年， Davis等[49]通過理論計算指出，非彈性電子隧穿激發等離激元的內量子效率(internal quantum efficiency, IQE)也就是等離激元激發效率,可以達到10%量級，這也是推動相關研究持續進行的一個重要因素。從理論上看，電子非彈性隧穿引起的等離激元隧道結輻射光譜主要由隧穿電流強度譜Itc(Vb,ω)∝(1-?ω/eVb)(由量子傳輸矩陣法[49,68]或對隧穿電流的散粒噪聲進行傅里葉變換得到[69]，其中ω是非彈性隧穿電子激發等離激元模式的角頻率)、隧道結結區的局域光學態密度(ρLDOS, local density of optical states, LDOS)以及等離激元隧道結的輻射效率(ηrad)共同決定，即I(ω)∝Itc(Vb,ω)ρLDOSηrad。因此，電激發等離激元隧道結的IQE主要取決于隧道結兩側金屬的電子態密度(包括隧道結內的任何電子態密度)、施加的偏壓以及隧道結的LDOS，EQE則是IQE和隧道結輻射效率的乘積。通過調控等離激元隧道結的LDOS和輻射效率，就可以實現對其IQE和EQE的有效調節。最近，通過將隧道結和光學納米天線結合起來，電激發等離激元結構的IQE和EQE均得到顯著提升，產生了一系列重要成果[41,70-75]。例如，2015年， Kern等[41]通過在光學納米天線內構建隧道結結構，首次實現了電驅動光學納米天線(見圖2(a))。在該研究中，作者首先利用聚焦離子束刻蝕方法在單晶金納米片上加工出間隙為20～30 nm的線性偶極納米天線結構，接著利用原子力顯微鏡探針操控技術將金納米球推到線型偶極子天線兩臂形成的間隙內，最后金納米球和偶極子納米天線的其中一臂形成隧道結。當在連接線性偶極子納米天線的兩個電極上施加偏壓時，處于偶極子納米天線內部的隧道結由于電子非彈性隧穿直接激發納米天線支持的等離激元共振模式，與此同時納米天線向外輻射光子，從而形成基于電子隧穿效應的電驅動光學納米天線。因此，該電驅動納米天線的發光譜主要由所施加的偏壓和納米天線的光學特性(近場等離激元共振特性和遠場光子輻射特性)共同決定，后者可以通過改變納米天線的結構參數來實現調節。圖2(b)(Ⅰ～Ⅲ)分別給出了三個共振型電驅動納米天線的掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope, SEM)照片，由于結構參數的差異，其等離激元共振峰波長分別為780 nm、760 nm和730 nm(實線)。可以看到，它們的發光譜(空心圓點)和等離激元散射光譜符合得很好。得益于共振型納米天線結構中高的LDOS和輻射效率，實驗測得的EQE約為10-4，相比于非共振型結構(見圖2(b)，Ⅳ)提高了約兩個數量級。同年， Parzefall等[70]通過在六方氮化硼(h-BN)薄膜作為絕緣層的Au-h-BN-Au平面型隧道結的底部金電極上刻蝕狹縫納米天線陣列(見圖2(c))，實現了基于非彈性電子隧穿的共振增強發光。如圖2(d)所示，在2.5 V偏壓下，相比于沒有制備納米結構的平面型MIM隧道結(Dev 0)，制備有狹縫納米天線陣列的隧道結(Dev1、Dev2和Dev3)的EQE從約4×10-7顯著提升到約2.5×10-5。這主要得益于平面隧道結結構在制備狹縫陣列后顯著提升的遠場輻射效率，約為1%。在此基礎上，作者進一步演示了對MIM隧道結發光光譜高達1 GHz的直接電調制，結合其超小尺寸、超快響應速度的優勢，有望用作片上可高速直調的電驅動納米光源。2018年， Qian等[71]基于高品質單晶銀納米立方體自組裝形成的隧道結結構(見圖2(e))，在近紅外波段獲得了高達2%的EQE記錄。在該結構中，隧道結的絕緣層為化學制備時吸附在銀納米方塊表面起穩定作用的聚合物層，電極則利用聚焦離子束誘導沉積技術制備。得益于單晶銀納米方塊原子級別的表面粗糙度，該隧道結可以支持高品質局域等離激元共振模式。根據理論計算，該隧道結內LDOS增強的最大值約為3.1×105(和真空情況下態密度相比)，從而顯著提升了電子非彈性隧穿的效率，也就是該銀納米方塊構成的隧道結的LSPR激發效率。同時，優化后的角對角銀納米方塊結構具有約24.6%的遠場輻射效率，這使得激發的等離激元模式可以高效地以光子形式輻射出去，從而可以獲得高的外量子效率(見圖2(f))。由于隧道結的絕緣層厚度通常在納米尺度，電驅動光學納米天線的制備過程一般比較復雜且效率不高。針對這一問題，武漢大學He等[72]提出一種利用介電電泳將金納米顆粒捕獲到刻有狹縫的金屬電極之間來制備電驅動納米天線的方法。通過控制模板的大小，可以制備包含不同金納米顆粒數目的電驅動納米天線，其外量子效率約為2.5×10-4，具有制備簡單、效率高、穩定性好等優點。雖然目前實驗獲得的內量子效率已經接近10%的預測值，但Uskov等[73]從理論上表明，通過在隧道結內構建量子阱以形成共振隧穿結構，可以極大提高電子非彈性隧穿效率從而使得內量子效率有望接近100%。當然，正如文章中指出的，內量子效率的提升是以增加勢壘寬度為代價的，這會導致電子整體隧穿概率的降低從而降低整體輸出功率。

圖2 (a)電驅動光學納米天線的SEM照片[41];(b)共振型 (Ⅰ～Ⅲ) 和非共振線型 (Ⅳ) 電驅動光學納米天線的電致發光譜(圓點)和暗場散射譜(實線)，左側插圖為對應的SEM照片[41]；(c)金-氮化硼-金等離激元隧道結結構示意圖[70]；(d)左圖為未加工(Dev0)和加工不同尺寸(Dev1～Dev3)狹縫陣列納米天線的金-氮化硼-金等離激元隧道結在2.5 V偏壓下的發光照片，右圖為對應的發光強度光譜(圓點)和透過增強曲線(實線)[70]；(e)兩個邊對邊單晶銀納米立方體構成的等離激元隧道結的示意圖[71]；(f)具有不同結構參數銀納米立方體隧道結的EQE的實驗與仿真結果，比例尺：40 nm[71]

目前，通過調控LDOS和輻射效率，等離激元隧道結的內外量子效率均獲得了顯著提升。但是，其整體輸出功率仍然很低，通常在皮瓦量級或者更低，極大限制了電驅動等離激元隧道結的實際應用。這主要是因為單個納米尺度隧道結內的隧穿電流非常小，從根本上限制了等離激元隧道結的輸出功率。針對該問題，構建大面積、高密度納米隧道結陣列是一種可行的解決方案。例如，Wang等[76-78]基于垂直取向排列的金納米棒陣列(見圖3(a)和3(b)，納米棒密度約為1010cm-2)，巧妙地利用自組裝的聚合物(聚組氨酸)薄膜和液態銦鎵合金構建了毫米尺度高密度隧道結陣列，在2.5 V偏壓下可以肉眼直接觀察到紅光輻射(見圖3(c))。在該結構中，非彈性隧穿電子不僅可以激發隧道結內的MIM等離激元模式，也可以激發起金納米棒陣列的局域和波導模式，其對應的發光光譜覆蓋可見和近紅外波段，并且可以通過調節納米棒陣列的結構參數(納米棒直徑、長度和納米棒間距離等)來調控發光譜[76]。該結構所測得的發光功率在100 nW左右，這使得其在實際應用(如光學傳感)時光信號的檢測變得相對簡單。基于該結構， Wang等進一步研究了隧道結內彈性和非彈性隧穿共同作用引發的光-電-物質相互作用[76]。具體地，隧道結內電子非彈性隧穿激發金納米棒陣列等離激元模式并伴隨著輻射發光，電子彈性隧穿則會產生高度局域在隧道結附近的熱電子，這些具有較高能量的熱電子使得隧道結具有很高的反應活性(見圖3(d))，在一定條件下可以改變隧道結狀態(如介質分子結構等)，這反過來會影響電子隧穿過程(主要體現在隧穿電流、發光光譜等的改變)。例如，當將含有2%濃度氫氣的氮氣逐漸取代置于氣室內的電激發金納米棒陣列(偏壓為2.5 V)周圍的空氣時，探測到的發光強度逐漸減小至初始值的一半(見圖3(e))；當將空氣重新引入氣室時，其發光強度又重新恢復到初始值(見圖3(f))。光譜隨環境氣體變化的主要原因是隧道結在熱電子的輔助下和氧氣/氫氣發生氧化/還原反應。因此，利用電子彈性和非彈性隧穿的協同作用，不僅可以實現對電子隧穿引起的發光譜的動態調控，也可以通過光譜的變化實時監控隧道結內狀態的變化，在光學傳感、微納光電子器件等領域具有重要應用前景。

圖3 電驅動金納米棒陣列超材料[76]。(a)金納米棒陣列超材料的剖面SEM照片;(b)大傾斜角度下離子束刻蝕后的金納米棒陣列超材料的表面形貌圖，凹陷處為金納米棒的頂部;(c)電驅動金納米棒陣列超材料在不同偏壓下測得的發光譜，插圖為2.5 V偏壓下器件的發光照片;(d)金納米棒陣列超材料化學刻蝕后的表面形貌圖，以及隧道結內熱電子輔助化學反應示意圖;當氣室環境從空氣變為含2%氫氣的氮氣(e)以及空氣重新引入氣室內(f)時電驅動金納米棒陣列超材料發光譜隨反應時間的變化曲線

3 基于非彈性隧穿的波導模式激發

除了耦合輸出為自由空間光子或金屬-介質界面上傳輸的二維等離激元模式，非彈性隧穿激發的隧道結內間隙等離激元模式也可以耦合為波導形式的等離激元或光子模式[79-81]，這在光電混合集成芯片、片上光互聯等領域具有重要應用價值。2011年，Bharadwaj等[79]基于STM系統實現了金納米線SPP的激發。在該結構中(見圖4(a))，STM探針和金納米線左端形成隧道結結構，在施加偏壓時，電子非彈性隧穿激發起隧道結的局域等離激元模式，隨后該模式部分耦合到金納米線中以SPP形式傳輸，最終在右端轉化為自由空間光子輸出。但由于該方案需要復雜龐大的STM系統，很難用于片上高密度集成。針對該問題，Cazier等[80]將電遷移法制備的隧道結集成到介質加載型SPP波導上方(見圖4(b))，實現了片上可集成的SPP激發，但激發效率相對較低。2017年，Du等[81]基于垂直交叉的金和鋁波導形成的金-氧化鋁-鋁隧道結結構，獲得了約1%的SPP激發效率，可以在金波導端頭觀察到明顯的SPP輸出(見圖4(c))。在后續理論和實驗研究中，他們認為其較高的SPP激發效率主要源于表面粗糙度輔助的隧道結MIM等離激元模式和延伸的金波導上傳輸的等離激元模式之間的動量匹配。2019年， Zhang等[82]通過在氧化鋁表面制備線性金納米天線陣列(見圖4(d))，進一步實現了沿著鋁-空氣界面的SPP增強激發，輸出的等離激元模式總功率達到10 pW，并且可通過改變天線陣列的結構參數實現對輸出光譜及偏振特性的控制。理論上，限制SPP激發效率的因素主要有以下幾點：首先是MIM隧道結等離激元模式的激發效率，這在前面已經討論過，主要由隧道結電子態密度、局域光學態密度等決定；其次是MIM隧道結內高度局域的MIM等離激元模式極高的傳輸損耗，當增加隧道結橫向尺寸時隧道結內部能量并不能被有效利用；最后是MIM等離激元模式和延伸的金屬波導中SPP模式間極低的耦合效率，這主要是由于兩者之間存在顯著的傳播常數及模式尺寸失配。因此，未來相關研究一個重要的關注點是如何通過結構設計等方式來進一步提升傳導型SPP的激發效率，其具有重要的實際應用價值。

圖4 (a)被STM探針激發的金納米線的光學顯微鏡照片[79]；(b)上圖是隧道結構建在介質加載型SPP波導上方的偽彩色SEM照片，下圖是此結構的發光圖，即在隧道結結區產生傳導等離激元模式并在波導另一端耦合輸出為自由空間光輻射[80]；(c)左圖是兩個金-氧化鋁-鋁隧道結所組成器件的示意圖，分別用于產生(Ⅰ)和探測(Ⅱ)等離激元模式，右圖是電驅動下具有不同金帶長度的金-氧化鋁-鋁隧道結(Ⅰ)的光學顯微鏡照片[81]；(d)電驅動的周期性金-氧化鋁-鋁天線隧道結激發SPP時在源平面的顯微鏡照片，插圖為此周期性天線隧道結的光學顯微鏡照片(左)和SEM照片(右)[82]

值得一提的是，除了基于MIM隧道結的表面等離激元激發，在金屬-絕緣層-半導體(metal-insulator-semiconductor, MIS)結構上也可以實現等離激元激發與發光。MIS隧道結的優勢在于它可以直接和硅基光波導集成，從而將電子隧穿產生的光耦合進入低傳輸損耗硅基光波導，用作片上微納光源、高速電光轉換等。東南大學Huang等[83-84]在理論上對金納米塊-二氧化硅-摻雜硅波導隧道結結構中激發的等離激元模式與波導的耦合效率進行了計算，優化之后的隧道結結構(主要包括金納米塊尺寸、波導尺寸等)在1 300 nm處耦合進入波導的能量是自由空間光輻射能量的2 750倍，初步探索了基于MIS隧道結實現等離激元模式波導輸出的可能性。特別地，Doderer等[85]在實驗上演示了MIS隧道結產生的等離激元模式與硅光波導之間的高效耦合(～75%)，同時在波導輸出端測得了約6.8 pW的輸出功率。

4 輻射方向控制

控制光場輻射方向是微納尺度光場調控的一個重要研究課題，在納米光子學應用中具有重要意義。通過結構設計可以實現電子非彈性隧穿激發的等離激元激發和光子的定向傳輸[86-92]。例如，2015年，Dong等[86]基于STM系統，實現了帶狀金膜中電子隧穿激發的SPP模式的方向性傳輸，在相反兩個方向上的消光比為2.6∶1。其主要原理是通過改變STM探針與帶狀金膜(見圖5(a))邊界的距離來獲得隧道結處產生的SPP與邊界反射的SPP之間的相長或相消干涉，最終實現對隧道結處激發的SPP傳輸方向的控制(見圖5(b))。值得一提的是，通過分析STM探針和薄金膜形成的隧道結在像平面和傅里葉平面的泄漏輻射模式，Wang等[87]發現超過99.5%探測到的光子來自沿金膜表面傳輸的SPPs的泄漏輻射，剩余探測到的光子則來自STM探針與金膜表面之間激發的LSPR的輻射發光。類似地，利用面內SPP干涉效應，中國科學技術大學Jiang等[88]從仿真上演示了通過控制兩個放置在ITO/Au薄膜上的條形金納米天線的寬度可以實現STM探針激發的SPP的方向性傳輸。此外，通過控制分子隧道結內單分子層的分子構成和取向也可以實現對SPP的定向激發。2016年， Du等[89]首次實現了基于金屬-單分子層-金屬構成的分子隧道結的等離激元激發，并利用分子隧穿二極管結構實現了偏壓極性選擇的等離激元激發。在此基礎上， Du等[90]基于雙勢壘分子隧道結實現了SPP的定向激發。具體地，他們將S(CH2)nBPh(BPh為聯二苯，n=1～7)單分子層自組裝在金膜上形成隧道結(其中烷基鏈狀結構和BPh單元形成兩個串聯的隧穿勢壘)，通過改變分子中烷基單元的個數可以控制BPh單元的傾斜角(當n為偶數時傾斜角為45°，當n為奇數時傾斜角為23°)，從而利用經過分子的隧穿電流的取向實現SPP的定向激發(見圖2(d))。當n=2時，該結構SPP激發具有最高的方向性(定義為(IL-IR)/(IL+IR)，其中IL和IR分別表示局域輻射圖案左右兩瓣的最大強度)，約為0.4，對應的消光比為2.3∶1(見圖2(e))。除了SPP激發的方向性控制，研究者們也可以對電驅動等離激元納米天線光輻射的方向進行控制，這主要得益于光學納米天線本身優異的定向輻射特性。例如，Gurunarayanan等[91]通過將構成隧道結的兩個金納米棒以90°夾角放置，利用隧道結間隙偶極振動和棒狀納米天線類四極子振動模式的相互作用，實現了消光比約5 dB的方向性輻射(見圖5(f))。最近， Kullock等[92]通過將隧道結集成到納米棒陣列構成的Yagi-Uda天線中，獲得了消光比高達9.1 dB的定向輻射(見圖5(g))，在片上無線光信號傳輸等領域具有重要應用價值。

圖5 (a)利用電子束刻蝕法加工的金膜光柵的SEM照片，其周期為5 μm，間隙大小為0.3 μm[86];(b) STM探針放置在金膜不同位置時所激發的SPP在傅里葉平面的照片，演示了對向左傳輸的SPP的開關調控[86];(c)n為奇數(左)和偶數(右)時Au-S(CH2)nBPh//EGaIn隧道結的示意圖[90];(d)當n=2時分子隧道結離焦圖案剖面的強度分布圖，插圖是對應的離焦圖案[90];(e)SPP激發的方向性與烷基單元個數n的關系曲線[90];(f)兩種不同尺寸的V型天線在不同偏壓下高度可控的方向性選擇光發射[91];(g)電驅動納米偶極天線(Ⅰ)和三種Yagi-Uda天線(Ⅱ～Ⅳ)的SEM照片以及對應的輻射圖案[92]

5 結語與展望

本文簡要綜述了基于電子隧穿效應的表面等離激元激發及發光研究的最新進展，包括等離激元納米天線的激發、波導模式的激發以及方向性控制等，相關研究為表面等離激元器件的小型化和片上集成提供了一個新的機遇。但是，對于基于非彈性隧穿的等離激元激發技術及相應器件的實際應用，仍然還有很多問題需要解決。例如，如何進一步提高單個隧道結的整體輸出功率以滿足實際應用需求；如何通過理論和結構設計優化非彈性隧穿激發的MIM等離激元模式和SPP的耦合效率對于傳導型SPP激發具有重要意義；如何利用電子隧穿效應實現表面等離激元的窄帶激發和發光。此外，等離激元隧道結器件在實際工作中的長期穩定性也是亟待解決的一個關鍵問題。盡管存在諸多挑戰，作為納米尺度下連接電子學和等離激元光子學一種超快且緊湊的方案，基于非彈性隧穿的等離激元激發技術仍將吸引人們的研究興趣,并有望在納米光電子器件、光互連、光學傳感等領域獲得廣泛應用。