等离激元半导体将为电子学带来革命性的改变

【导读】在此之前的等离激元器件都只以介于金属和绝缘体(电介质)之间的界面为基础制作。但根据伯克利实验室的这项新的研究成果称，许多常见的半导体也可通过工艺加工而可以传输等离子体。该实验室的报告中也称，在掺杂空穴的半导体纳米晶体——量子点中，实现了表面等离子体共振。

摘要：  在此之前的等离激元器件都只以介于金属和绝缘体(电介质)之间的界面为基础制作。但根据伯克利实验室的这项新的研究成果称，许多常见的半导体也可通过工艺加工而可以传输等离子体。该实验室的报告中也称，在掺杂空穴的半导体纳米晶体——量子点中，实现了表面等离子体共振。

关键字：  等离激元，  光量子，  电子，  耦合，  LED

据美国能源部(DOE)下属机构劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)的研究人员表示，等离激元(Plasmonic)半导体有望使光量子和电子的耦合变得容易，这将为电子学带来革命性的改变。

等离子体(Plasmon)是一对自由电子结合成为准粒子进入波表面传播时的波峰，可使这对自由电子的频率与附带的光量子频率匹配，从而使电子等离子和光量子形成谐振而耦合。如果由伯克利实验室预测的这种局部表面等离子体实现共振的话，就可以实现电子互连中的信号传播速度加速到光速，用于激光和传感器的片上透镜，新一代超高效等离激元LED，新一代超灵敏度生化探测器，以及可弯曲周围物体光路的特异材料。这种超材料可以用来制成隐形斗篷(电子工程专辑版权所有，谢绝转载)。

在此之前的等离激元器件都只以介于金属和绝缘体(电介质)之间的界面为基础制作。但根据伯克利实验室的这项新的研究成果称，许多常见的半导体也可通过工艺加工而可以传输等离子体。该实验室的报告中也称，在掺杂空穴的半导体纳米晶体——量子点中，实现了表面等离子体共振。

“掺杂半导体量子点开启了量子—电子强耦合性质为了应用的可能性，这对光捕获、非线性光学和量子信息处理都将产生影响。”伯克利实验室负责人Paul Alivisatos说。

通过空穴掺杂铜硫P型载流子的量子约束效应来调节电子性质，使表面等离子体共振的频率在近红外波段。研究人员表示，量子和电子之间的强耦合模式，可以用于极大地提高太阳能光伏和人工光合作用的光激发作用。下一步，研究小组将用铜硒和锗(原文为quermanium)碲化物半导体试验，并分别测量用该材料制造的太阳能电池和存储器件的预期增值(电子工程专辑版权所有，谢绝转载)。

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透射电子显微镜图片展示了三个量子点的样本，平均尺寸为a.2.4nm，b.3.6 nm，c.5.8nm

注：

由于在制造纳米光子集成线路上的无限潜力，基于表面等离激元(Surface Plasmon)的纳米光子学，即表面等离激元学(Plasmonics)，受到了全球庞大的微电子工业的广泛关注(电子工程专辑版权所有，谢绝转载)。

传统光子学元件的尺寸往往限制在微米以上，但能工作在上百太赫兹(10～12 Hz)的频率，运行速度极快;而微电子元件的尺寸已能缩小到几十纳米，却最高只能工作在吉赫兹(10～9 Hz)频率，运行速度相对较慢。如果能将光子线路整合到微电子线路中，将有可能大大提高传统微电子芯片的处理速度。但是，光子学元件和微电子元件的尺寸差距极大地妨碍了它们的整合，从而阻碍了利用光子学元件提高微电子线路运行速度的可能。正因为此，基于表面等离激元的纳米光子集成线路成为了解决这个尺寸匹配问题的关键因素。为了实现表面等离激元纳米光子集成线路，我们需要那些与基本的微电子元件相对应的表面等离激元元件。到目前为止，这方面的突破性工作都集中在被动型表面等离激元元件，例如等离激元波导，谐振器和耦合器。而关于主动型表面等离激元元件的研究却十分有限，例如表面等离激元调制器和开关。