基于超表面的Tamm等離激元與激子的強(qiáng)耦合作用*

吳晗 吳競宇 陳卓

(南京大學(xué)物理學(xué)院, 南京 210000)

本文研究了由超表面-介質(zhì)間隔層-分布式布拉格反射器(distributed Bragg reflector, DBR)構(gòu)成的等離激元微腔結(jié)構(gòu)中的Tamm等離激元及其與激子間的相互作用.利用超表面中的結(jié)構(gòu)參數(shù)變化能夠調(diào)控光在其表面的反射位相這一特性, 可以在微腔結(jié)構(gòu)的介質(zhì)間隔層厚度保持不變時(shí), 通過調(diào)節(jié)超表面的結(jié)構(gòu)參數(shù)來調(diào)控微腔結(jié)構(gòu)所支持的Tamm等離激元模式的共振位置, 從而為Tamm等離激元模式的調(diào)控提供更多自由度.相比于傳統(tǒng)金屬薄膜-介質(zhì)間隔層-DBR結(jié)構(gòu), 我們發(fā)現(xiàn)超表面的引入及其對(duì)反射位相的調(diào)控可以使超表面-介質(zhì)間隔層-DBR結(jié)構(gòu)在更小的間隔層厚度下支持共振在相同波長處的Tamm等離激元模式.此外, 結(jié)合超表面對(duì)場的局域特性, 可以有效地降低Tamm等離激元模式體積.在此基礎(chǔ)上, 對(duì)比研究了傳統(tǒng)的和基于超表面的Tamm等離激元與單層二硫化鎢(WS2)的相互作用, 發(fā)現(xiàn)基于超表面的Tamm等離激元可以產(chǎn)生更強(qiáng)的光子與激子的強(qiáng)耦合作用, 獲得更大的拉比(Rabi)劈裂.

1 引 言

金屬微納結(jié)構(gòu)能夠支持表面等離激元共振模式, 具有超衍射極限的光場局域特性, 能夠使得其周圍的局域電場和光子局域態(tài)密度得到極大的增強(qiáng)[1,2], 導(dǎo)致光與物質(zhì)相互作用的有效距離或時(shí)間顯著增加.利用這一特性可以提高生物傳感器的靈敏度[3]、分子的熒光輻射強(qiáng)度[4]、單光子產(chǎn)出率[5]以及拉曼散射信號(hào)[6]等.近年來, 借助金屬微納結(jié)構(gòu)中等離激元模式的超強(qiáng)光場局域, 并利用受限光子與激子的強(qiáng)耦合相互作用獲得兼具光子與激子優(yōu)點(diǎn)的新的準(zhǔn)粒子, 已逐漸成為國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)之一.目前, 人們已經(jīng)在諸多體系中實(shí)現(xiàn)了等離激元極化子和熒光分子、量子點(diǎn)、半導(dǎo)體、量子阱、二硫化鎢(WS2)等材料的激子之間的強(qiáng)相互作用.如傳播的等離激元模式的金屬結(jié)構(gòu)[7]、局域等離激元共振的金屬顆粒[8]、法諾等離激元共振的金屬顆粒陣列或多聚體[9?12]、法布里-珀羅(Fabry-Perot)模式的金屬薄膜-介質(zhì)層-金屬薄膜微腔[13?15]以及Tamm等離激元模式的金屬薄膜-分布式布拉格反射器(DBR)結(jié)構(gòu)[16,17]等.

超表面 (Metasurface, MS), 即由厚度僅在波長量級(jí)甚至更薄的亞波長“人工原子”結(jié)構(gòu)單元, 按照特定排列方式構(gòu)成的一種平面型超構(gòu)材料[18].基于惠更斯子波原理, 調(diào)控超表面中結(jié)構(gòu)單元的共振響應(yīng)的相對(duì)相位, 引入橫向的空間漸變相位可以產(chǎn)生光渦旋等光束整形效應(yīng)[19].除了用來對(duì)光波的相位進(jìn)行操控, 精心設(shè)計(jì)的超表面還能控制光波的振幅和偏振態(tài), 例如實(shí)現(xiàn)光波圓偏振態(tài)和線偏振態(tài)之間的相互轉(zhuǎn)換[18]、偏振方向的旋轉(zhuǎn)[20]以及任意偏振態(tài)的產(chǎn)生[21].超表面對(duì)可見光乃至微波波段電磁波相位、振幅以及偏振的操控特性, 已經(jīng)用于光線彎折[19]、光束聚焦[22]、光學(xué)全息[23]、可見光寬帶連續(xù)消色差透鏡[24]等.文中采用的金屬超表面-介質(zhì)層-金屬薄膜的超表面結(jié)構(gòu), 可調(diào)控光波前的位向控制光的偏振響應(yīng)形成寬帶矢量全息[25],光的自旋角動(dòng)量形成光渦旋[26].

本文研究了由金屬光柵-介質(zhì)層-金屬薄膜構(gòu)成的超表面的光學(xué)特性, 發(fā)現(xiàn)超表面結(jié)構(gòu)中的光柵寬度和介質(zhì)層厚度的變化, 能夠引起其所支持的間隙等離激元模式共振位置變化, 進(jìn)而改變超表面結(jié)構(gòu)的表面反射位相.我們將這一超表面結(jié)構(gòu)引入Tamm等離激元微腔中, 替換其中的平整金屬薄膜, 通過改變超表面的結(jié)構(gòu)參數(shù)來調(diào)諧Tamm等離激元模式的共振位置, 為Tamm等離激元微腔的調(diào)控提供了一個(gè)新的自由度.相比于常規(guī)的由金屬薄膜-間隔層-DBR構(gòu)成的Tamm等離激元微腔, 超表面-間隔層-DBR結(jié)構(gòu)可以在更薄的間隔層條件下支持在相同波長處共振的Tamm等離激元模式.我們發(fā)現(xiàn)金屬光柵對(duì)電場的局域特性可以有效降低Tamm等離激元的模式體積, 相比常規(guī)的金屬薄膜-間隔層-DBR結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生更強(qiáng)的光子與激子的強(qiáng)耦合作用.

2 計(jì)算模型及分析

2.1 超表面模型及分析

首先研究如圖1(a)所示的銀光柵-氧化鋁介質(zhì)層-銀薄膜構(gòu)成的超表面的光學(xué)性質(zhì).銀薄膜厚度、銀光柵周期和厚度固定為t= 30 nm,p= 150 nm和d= 10 nm, 研究銀光柵寬度w和氧化鋁層厚度h這兩個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)超表面反射特性的影響.采用多物理場有限元軟件(Comsol Multiphysics)對(duì)該結(jié)構(gòu)的光學(xué)反射特性進(jìn)行模擬計(jì)算.在計(jì)算中, 入射平面波的電場方向垂直于光柵極化方向,氧化鋁、襯底以及包覆介質(zhì)的折射率分別設(shè)為:ng=1.7,ns= 1.45 和nc= 1.45.金屬銀的介電常數(shù)采用 Drude 模型來描述, 其中e0= 1,ωp= 9.6 eV, ?γ= 0.0228 eV[27].

圖1(b)顯示了由氧化鋁層厚度為h= 20 nm和不同寬度的銀光柵構(gòu)成的超表面的反射譜, 反射谷隨著光柵寬度增加而發(fā)生紅移.例如, 在光柵寬度從w= 30 nm 增加到w= 50 nm 時(shí), 反射谷從490 nm紅移到 650 nm處.為了表征反射谷所對(duì)應(yīng)的共振模式的特性, 圖1(c)為光柵寬度為w=50 nm 和氧化鋁層厚度為h= 20 nm 的超表面在反射谷650 nm處的磁場分布, 可以看到磁場局域在銀光柵和銀薄膜之間的氧化鋁介質(zhì)層, 這和典型的金屬顆粒-介質(zhì)薄膜-金屬膜所支持的間隙等離激元模式的場分布相一致[28].圖1(d)是超表面結(jié)構(gòu)的表面反射位相隨波長的變化關(guān)系: 反射位相在超表面結(jié)構(gòu)的間隙等離激元共振波長附近變化較為陡峭, 在偏離共振處反射位相的變化相對(duì)平緩.如圖1(d)中豎直黑色虛線所示, 對(duì)于某一特定波長,例如620 nm, 超表面結(jié)構(gòu)的反射位相隨著銀光柵寬度的變化而變化.此外, 圖1(e)和圖1(f)是銀光柵寬度固定為w= 30 nm并改變超表面結(jié)構(gòu)中氧化鋁層的厚度時(shí)反射譜和相應(yīng)的表面反射位相隨波長的變化關(guān)系, 與圖1(b)和圖1(d)的結(jié)論類似:隨著氧化鋁層厚度的變化, 間隙等離激元共振波長會(huì)發(fā)生移動(dòng).可以通過改變氧化鋁層的厚度來調(diào)諧某一特定波長處的反射位相.

2.2 超表面-介質(zhì)間隔層-DBR構(gòu)成的Tamm等離激元微腔模型及分析

圖2(a)為由超表面-介質(zhì)間隔層-DBR構(gòu)成的等離激元微腔的光學(xué)特性.DBR由N= 8對(duì)折射率為na= 1.45 的二氧化硅和折射率為nb= 2.4的二氧化鈦介質(zhì)層的一維周期結(jié)構(gòu)組成.其中二氧化硅層的厚度設(shè)為da= 600/4/1.45 = 103.45 nm,二氧化鈦層的厚度設(shè)為db= 600/4/2.4 = 62.5 nm,DBR的禁帶中心波長為600 nm.在常規(guī)的由金屬薄膜-介質(zhì)間隔層-DBR組成的Tamm等離激元微腔中, 共振波長為l的Tamm等離激元模式的激發(fā)需要滿足光在腔內(nèi)往返的總位相jtotal是2π整數(shù)倍的條件[29], 即:

其中jDBR和jmetal分別是光在DBR表面和金屬薄膜表面反射引起的位相變化,jprop= 4πnl/l是光在折射率為n, 厚度為l的介質(zhì)間隔層中的傳播位相.用超表面替代常規(guī)Tamm等離激元微腔結(jié)構(gòu)中的金屬薄膜后, (1)式中的jmetal將由光在超表面結(jié)構(gòu)的表面反射引起的位相變化jms來替代,此時(shí)Tamm等離激元模式激發(fā)所需滿足的條件變?yōu)?/p>

圖1 (a)銀光柵-氧化鋁介質(zhì)層-銀薄膜構(gòu)成的超表面結(jié)構(gòu)示意圖, 其中銀薄膜厚度、銀光柵周期和厚度分別固定為 t = 30 nm,p = 150 nm 和 d = 10 nm; (b), (d)氧化鋁層厚度 h = 20 nm 銀光柵同寬度時(shí)超表面的反射譜和反射位相; (c)光柵寬度 w =50 nm 和氧化鋁層厚度 h = 20 nm 的超表面在共振時(shí)的磁場分布圖; (e), (f)銀光柵寬度 w = 30 nm 氧化鋁層厚度不同時(shí)超表面的反射譜和反射位相Fig.1.(a) A schematic diagram of metasurface consisting of silver grating, alumina dielectric layer and silver film, in which the thickness of silver film, the period and thickness of silver grating are fixed at t = 30 nm, P = 150 nm and d = 10 nm, respectively;(b), (d) the thickness of alumina layer is h = 20 nm, and the reflection spectrum and phase of metasurface at different width of silver grating; (c) the magnetic field distribution of metasurface at resonance with grating width w = 50 nm and alumina layer thickness h = 20 nm; (e), (f) with grating width w = 30 nm and different thickness of alumina layer have reflected spectra and phases on the metasurface.

圖2(b)中展示了在Tamm等離激元微腔的介質(zhì)間隔層厚度為l= 10 nm, 超表面的氧化鋁層厚度為h= 40 nm, 銀光柵的寬度為w= 10 nm和 50 nm 時(shí)jDBR,jprop,jms以及總位相jtotal隨波長的變化關(guān)系.由 (2)式可知, 當(dāng)滿足jtotal=0時(shí), 最低階的Tamm等離激元模式即可被激發(fā);在圖2(b)中用一條水平虛線代表位相為0的位置與jtotal的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的波長即為Tamm等離激元模式的共振位置.可以看到, 當(dāng)銀光柵的寬度為w= 10 nm時(shí)由(2)式給出的Tamm等離激元模式的共振波長約為579 nm; 銀光柵的寬度為w=50 nm時(shí), Tamm等離激元模式的共振波長約為668 nm.與此同時(shí), 也計(jì)算了超表面-介質(zhì)間隔層-DBR 結(jié) 構(gòu) 在l= 10 nm,h= 40 nm 以 及w=10 nm 和 50 nm 條件下的反射譜, 如圖2(c)所示:在w= 10 nm 和 50 nm 時(shí), 反射谷的位置分別位于580和670 nm處, 與利用(2)式的相位條件得到的結(jié)果一致.

2.3 多個(gè)維度調(diào)控Tamm等離激元模式

進(jìn)一步地, 我們又計(jì)算了在固定介質(zhì)間隔層厚度為l= 10 nm 和氧化鋁介質(zhì)層厚度為h=30 nm時(shí)改變超表面中的銀光柵寬度w, 以及固定l= 10 nm 和w= 40 nm 時(shí)改變超表面中的氧化鋁層厚度h這兩種情況下的超表面-介質(zhì)間隔層-DBR結(jié)構(gòu)的反射譜, 并將每種情況下的反射谷的位置總結(jié)在圖3(a)中, 獲得Tamm等離激元共振波長隨超表面的結(jié)構(gòu)參數(shù)w和h的變化關(guān)系.為了便于比較, 也在圖3(a)中畫出了常規(guī)的金屬薄膜-介質(zhì)間隔層-DBR結(jié)構(gòu)中Tamm等離激元共振波長隨介質(zhì)間隔層厚度l的變化關(guān)系.可以看到,在常規(guī)的金屬薄膜-介質(zhì)間隔層-DBR結(jié)構(gòu)中,Tamm等離激元共振波長隨著介質(zhì)間隔層厚度l的增加而逐漸紅移.在有超表面存在的情況下,固定介質(zhì)間隔層厚度l= 10 nm和氧化鋁介質(zhì)層厚度h= 30 nm 時(shí), Tamm 等離激元共振波長隨著銀光柵寬度的增加而逐漸紅移.相類似的, 當(dāng)固定介質(zhì)間隔層厚度l= 10 nm 和銀光柵寬度w=40 nm時(shí), Tamm等離激元共振波長隨著氧化鋁層厚度的增加而逐漸紅移.這就驗(yàn)證了這種具有超表面的Tamm等離激元微腔可以在介質(zhì)間隔層厚度保持不變時(shí)通過調(diào)節(jié)超表面的結(jié)構(gòu)參數(shù)jms來調(diào)控Tamm等離激元模式的共振波長位置, 從而為Tamm等離激元模式的調(diào)控提供了更多自由度.

圖2 (a)由超表面-介質(zhì)間隔層-DBR構(gòu)成的Tamm等離激元微腔結(jié)構(gòu)示意圖.DBR由8對(duì)二氧化硅和二氧化鈦多層介質(zhì)膜組成, 其中二氧化硅和二氧化鈦的折射率為 na = 1.45 和 nb = 2.4, 厚度為 da = 103.5 nm 和 db = 62.5 nm; 介質(zhì)間隔層厚度為 l, 折射率與圖1(a)中超表面結(jié)構(gòu)的包覆層折射率相同, 超表面的結(jié)構(gòu)參數(shù)與圖1(a)中所展示的相同.jDBR和jmetal分別是光在DBR的表面和超表面結(jié)構(gòu)的表面反射引起的位相變化, jprop代表光在介質(zhì)間隔層中的傳播位相; (b)固定介質(zhì)間隔層厚度為l =10 nm, 超表面中氧化鋁層厚度為 h = 40 nm, 銀光柵寬度為 w = 10 nm 和 50 nm 兩種情況下所獲得的 jms以及 jDBR, jprop, 總位相 jtotal隨波長的變化關(guān)系.水平虛線代表相位為 0; (c) l = 10 nm, h = 40 nm 以及 w = 10 nm 和 50 nm 條件下的超表面-介質(zhì)間隔層-DBR結(jié)構(gòu)的反射譜Fig.2.(a) A schematic diagram of the structure of a Tamm plasmon microcavity consisting of metasurface-dielectric spacer-DBR.DBR consists of 8 pairs of silica and titanium dioxide multilayer dielectric films, in which the refractive index of silica is na = 1.45,the refractive index of titanium dioxide is nb = 2.4, and the thickness of silica and titanium dioxide in each layer is da = 103.5 nm and db = 62.5 nm.The thickness of the dielectric spacer is l, and the refractive index is the same as that of the cladding layer of the metasurface structure in Fig.1(a).The structural parameters of the metasurface are the same as those shown in Fig.1(a).The phase transitions of jDBR and jmetal are caused by the reflection of light on the surface of DBR and metasurface structure respectively.jprop represents the phase of light propagating in the dielectric spacer; (b) the thickness of fixed dielectric spacer is l = 10 nm,the thickness of alumina layer in metasurface is h = 40 nm, and the width of silver grating is w = 10 nm and 50 nm.In both cases,the relationship between wavelength and the obtained jms, jDBR, jprop and total phase jtotal is obtained.The horizontal dashed line represents the phase of 0; (c) reflectance spectra of metasurface-dielectric spacer-DBR structures at l = 10 nm, h = 40 nm and w =10 nm and 50 nm.

圖3 (a)金屬薄膜-介質(zhì)間隔層-DBR結(jié)構(gòu)中Tamm等離激元模式的共振波長隨介質(zhì)間隔層厚度l的變化關(guān)系.超表面-介質(zhì)間隔層-DBR結(jié)構(gòu)中固定介質(zhì)間隔層厚度l = 10 nm和氧化鋁層厚度h = 30 nm時(shí)Tamm等離激元模式共振波長隨銀光柵寬度w的變化關(guān)系以及l(fā) = 10 nm和w = 40 nm時(shí)Tamm等離激元模式的共振波長隨氧化鋁層厚度h的變化關(guān)系; (b)介質(zhì)間隔層厚度固定為l = 10 nm時(shí), 不同的氧化鋁層厚度h和銀光柵寬度w的參數(shù)組合情況下超表面-介質(zhì)間隔層-DBR結(jié)構(gòu)的反射光譜Fig.3.(a) The variation of Tamm plasmon mode wavelength with the thickness of dielectric spacer l in metal film-dielectric spacer-DBR structure, the variation of Tamm plasmon mode wavelength with the width of silver grating w when the thickness of fixed dielectric spacer l = 10 nm and alumina layer h = 30 nm in metasurface-dielectric spacer-DBR structure, and fixed l = 10 nm and w = 40 nm, the Tamm plasmon mode wavelength varies with the thickness of alumina layer h; (b) reflectance spectra of metasurface-dielectric spacer-DBR structure with different thickness of alumina and width of silver grating w when the thickness of dielectric spacer is fixed at l = 10 nm.

從圖3(a)中可以看到在超表面-介質(zhì)間隔層-DBR結(jié)構(gòu)中, 單獨(dú)增加超表面的兩種結(jié)構(gòu)參數(shù)即氧化鋁層厚度h和銀光柵寬度w, Tamm等離激元的共振波長都會(huì)隨之單調(diào)增加.這就使得我們可以通過增加其中一個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)而減小另一個(gè)參數(shù), 使具有不同參數(shù)組合的超表面-介質(zhì)間隔層-DBR結(jié)構(gòu)能夠支持在同一波長共振的Tamm等離激元.圖3(b)為不同的參數(shù)組合情況下超表面-介質(zhì)間隔層-DBR結(jié)構(gòu)的反射譜: 在固定介質(zhì)間隔層厚度為l= 10 nm 時(shí)逐漸增加氧化鋁層厚度從h= 20 nm到h= 60 nm, 同時(shí)相應(yīng)地縮小銀光柵寬度從w=41.6 nm 到w= 5 nm, 這些結(jié)構(gòu)所支持的 Tamm等離激元共振都位于620 nm處.同時(shí)從圖3(b)中可以看到, 對(duì)于不同的參數(shù)組合, Tamm等離激元在反射譜中的強(qiáng)度和模式線寬也是不同的: 采用較厚的氧化鋁層和較窄的銀光柵時(shí), Tamm等離激元模式的線寬更窄, 同時(shí)在Tamm等離激元共振位置的反射率更低.這種對(duì)模式激發(fā)強(qiáng)度和線寬的調(diào)控特性使得集成了超表面的Tamm等離激元微腔結(jié)構(gòu)可以更好地適用于不同場合.

2.4 多個(gè)維度調(diào)控Tamm等離激元模式

接下去對(duì)比研究了由金屬薄膜-介質(zhì)間隔層-DBR構(gòu)成以及集成了超表面的兩種Tamm等離激元微腔的光學(xué)特性.首先計(jì)算了兩種Tamm等離激元微腔結(jié)構(gòu)的反射和吸收譜, 如圖4(a)和圖4(b)所示.可以看出, 在由金屬薄膜-介質(zhì)間隔層-DBR構(gòu)成的微腔中, 當(dāng)介質(zhì)間隔層的厚度為l= 92.5 nm 時(shí), 其所支持的 Tamm 等離激元模式的共振波長可以調(diào)諧到620 nm處; 在集成了超表面的微腔結(jié)構(gòu)中, 當(dāng)氧化鋁層厚度為h= 40 nm,銀光柵厚度為w= 36 nm 時(shí), 介質(zhì)間隔層的厚度僅需l= 10 nm, 其所支持的 Tamm 等離激元模式共振波長就可以調(diào)諧到620 nm處.

圖4(c)和圖4(d)分別展示了集成有超表面的和常規(guī)的無超表面的微腔結(jié)構(gòu)所支持的Tamm等離激元共振模式的電場分布圖.為了更清楚地展示在介質(zhì)間隔層附近分布的電場, 由8對(duì)二氧化硅和二氧化鈦周期結(jié)構(gòu)組成的DBR結(jié)構(gòu)在圖中展示了最靠近介質(zhì)間隔層的1對(duì)周期.對(duì)比圖4(c)和圖4(d)可見: 常規(guī)的無超表面的微腔結(jié)構(gòu)中Tamm等離激元激發(fā)時(shí)電場局域在介質(zhì)間隔層和臨近的DBR二氧化硅層, 最大電場增強(qiáng)位于兩者分界面上; 在集成有超表面的微腔結(jié)構(gòu)中, 電場主要分布在介質(zhì)間隔層、DBR二氧化硅層以及超表面的氧化鋁層, 其中最大的電場增強(qiáng)位于銀光柵的四個(gè)角上.根據(jù)等式其中W(r)是能量密度, 我們計(jì)算了兩種結(jié)構(gòu)中Tamm等離激元共振的模式體積.常規(guī)的無超表面的微腔結(jié)構(gòu)所支持的Tamm等離激元共振模式體積約為15250 nm2; 而在集成有超表面的微腔結(jié)構(gòu)中由于介質(zhì)間隔層厚度的降低以及銀光柵對(duì)電場的局域特性, 其所支持的Tamm等離激元共振模式體積僅為約482 nm2, 相比于常規(guī)結(jié)構(gòu)縮小了約30倍.超表面-間隔層-DBR結(jié)構(gòu)相比常規(guī)的金屬薄膜-間隔層-DBR結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生更強(qiáng)的光子與激子的強(qiáng)耦合作用.

圖4 (a)和(b)分別為共振波長位于620 nm的常規(guī)金屬薄膜-介質(zhì)間隔層-DBR結(jié)構(gòu)和超表面-介質(zhì)間隔層-DBR結(jié)構(gòu)的反射譜和吸收譜; (c)和(d)分別為有超表面的和常規(guī)的Tamm等離激元微腔結(jié)構(gòu)所支持的Tamm等離激元模式的電場分布圖.左側(cè)為結(jié)構(gòu)示意圖, 水平虛線代表二維激子材料在結(jié)構(gòu)中放置的位置; (e)和(f)分別為兩種Tamm等離激元微腔中加入二維激子材料后的反射譜和吸收譜Fig.4.(a) and (b) are the reflection and absorption spectra of the conventional metal film-dielectric spacer-DBR structure and the metasurface-dielectric spacer-DBR structure with resonant wavelength at 620 nm, respectively; (c) and (d) electric field distributions of Tamm plasmon modes supported by metasurface and conventional Tamm plasmon microcavities, respectively.On the left is a structural sketch.The horizontal dashed line represents the position of the two-dimensional exciton material in the structure;(e) and (f) are the reflection and absorption spectra of two kinds of Tamm plasmon microcavities with two-dimensional exciton materials.

為了比較在這兩種Tamm等離激元微腔結(jié)構(gòu)中光子與激子強(qiáng)耦合作用的強(qiáng)弱, 我們將單層二硫化鎢(WS2)作為激子材料并引入到兩種結(jié)構(gòu)中.為了比較的合理性, 在常規(guī)的金屬薄膜-間隔層-DBR結(jié)構(gòu)中, 單層二硫化鎢放置在電場增強(qiáng)最大的介質(zhì)間隔層和臨近的DBR二氧化硅層分界面處, 如圖4(d)中水平虛線所示; 在超表面-間隔層-DBR結(jié)構(gòu)中, 單層二硫化鎢放置在銀光柵上表面,如圖4(c)中水平虛線所示.在圖4(d)中計(jì)算了Tamm等離激元微腔結(jié)構(gòu)中放置單層二硫化鎢材料之后的反射譜, 其中單層二硫化鎢的介電常數(shù)采用Li等[30]報(bào)道的實(shí)驗(yàn)參數(shù).由此可見, 在兩種結(jié)構(gòu)中由于Tamm等離激元和單層二硫化鎢激子之間的相互作用, 原先單個(gè)的反射谷都發(fā)生了Rabi劈裂現(xiàn)象.在常規(guī)的金屬薄膜-間隔層-DBR結(jié)構(gòu)中, Rabi劈裂的大小為 58 meV; 得益于超表面-間隔層-DBR結(jié)構(gòu)中更小的模式體積, Rabi劈裂的大小增加到了 93 meV.此外, 如圖4(e)所示, 這種Tamm等離激元和激子之間的耦合作用不僅可以在反射譜中產(chǎn)生Rabi劈裂, 在吸收譜中同樣可以引起吸收峰的劈裂現(xiàn)象.

3 總 結(jié)

將金屬薄膜-介質(zhì)間隔層-分布式布拉格反射器構(gòu)成的Tamm等離激元微腔中的金屬薄膜結(jié)構(gòu)化成金屬超表面并利用其結(jié)構(gòu)參數(shù)能夠調(diào)控光在其表面的反射位相的特性, 可以在微腔結(jié)構(gòu)的介質(zhì)間隔層厚度保持不變時(shí)通過調(diào)節(jié)超表面的結(jié)構(gòu)參數(shù)來調(diào)控微腔結(jié)構(gòu)所支持的Tamm等離激元模式的共振位置, 從而為Tamm等離激元模式的調(diào)控提供了更多自由度.此外, 結(jié)合超表面對(duì)場的局域特性, 金屬超表面-DBR結(jié)構(gòu)可以在不改變共振模式的情況下顯著減小Tamm等離激元模式體積.對(duì)比常規(guī)的金屬薄膜-DBR結(jié)構(gòu)和基于超表面的Tamm等離激元與單層二硫化鎢(WS2)的強(qiáng)耦合作用, 后者相比前者發(fā)生了更明顯的強(qiáng)耦合現(xiàn)象,耦合強(qiáng)度達(dá)93 meV, 可以獲得更大的拉比劈裂.