科学家设计新型纳米结构，有望打造基于纳米天线的光学纳米晶体管

来源：DeepTech深科技

近日，俄罗斯圣彼得堡国立信息技术机械与光学大学助理教授孙雅丽和团队，设计了一种共振的金属/高折射率半导体单个纳米结构（MSN，metal/high-refractive-index semiconductor nanostructure）。

在飞秒激光的帮助之下，可以改变金属纳米结构的外形，同时还能产生热载流子。而光生载流子在金属-半导体界面处，会分离形成肖特基势垒，从而创建静电场 Edc。

由于所产生的静电场 Edc与MSN 半导体纳米结构的三阶极化率 χ（3）相互作用，对于有效二阶极化率 χ（2）eff会产生调制作用(ISHG(2ω) = |χ(2) +χ(3)Edc|2ISHG(ω)=|χeff(2)|2ISHG(ω))。

因此，利用二次谐波信号可以探测生成的静电场，并且二次谐波信号对激发强度的依赖性变为非二次，而这便是电场诱导二次谐波产生（electrical-field-induced second harmonic generation，EFISH）的三阶非线性过程。

而在同样的激励条件之下，硅纳米薄膜和硅纳米球并不会生成电场，因此仍然具备二次的谐波信号/激发强度依赖性。

为了更好地探测这个电场，课题组将 MSN 半导体结构设计成非共振模式，减弱源自半导体结构的二次谐波信号的共振增强。

而 MSN 金属结构被设计为二次谐波波长处等离子体共振，从而能够增强二次谐波信号。

除了非二次谐波信号/激发的强度依赖性，MSN 时间相关的二次谐波信号同样证明了光生电场的存在。

因此，二次谐波信号/激发强度依赖性也存在时间相关性，在不同激光强度下的饱和时间约为几十秒。

为了估算电场值、以及金属功函数和硅表面密度对于载流子浓度的影响，课题组利用漂移-扩散模型进行了理论研究，

结果发现在低脉冲强度之下，二次谐波信号的主要贡献来自硅表面的缺陷，此时二次谐波信号对激发功率的依赖关系是二次的。

当强度超过 7GW/cm2 时，光生载流子在金属-半导体界面形成了静电场，这时 EFISH 效应会占据主导地位，信号对于激发功率的依赖关系变为非二次。

由于理论研究和实验结果相互吻合，因此他们估算发现纳米天线中全光激励产生的静电场值高达 108V/m。

图 | 单个金属-半导体纳米粒子内的电场生成与探测（来源：Light: Science & Applications）

另据悉，这项研究被评选为圣彼得堡国立信息技术机械与光学大学 2023 年度最重大的研发项目之一（共 12 项）。

孙雅丽也被邀请在新闻媒体上分享研究经历，并与其它 11 项研究的负责人一起登上圣彼得堡国立信息技术机械与光学大学 2024 年度官方日历。

（来源：孙雅丽） 关键词 : 纳米圣彼得堡 新浪科技公众号

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