【原】光纳米器件|俄罗斯研究人员对多种光学材料及制造技术进行对比研究，旨在寻求可替代硅材料的光纳米器件材料

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来自莫斯科物理技术研究所（MIPT）与俄罗斯圣彼得堡大学信息技术、力学与光学学院（ITMO）的研究团队对可用的高折射率材料和现有制造技术进行了比较分析，并对其作为光学纳米谐振器的性能进行了研究。该系统性研究结果可对用于光纳米器件的已知材料进行优化，同时鼓励对具有优异性能的新型材料的探索与研究。

该研究团队对高折射率材料进行了系统分析，包括半导体和极性晶体等，并根据球形纳米粒子的线性特征确定了其在可见光和红外光谱范围的共振行为。

图为光学纳米天线示意图

研究成果

该团队检测了材料磁性三重共振的散射效率和Q因子，同时还研究了与各种材料的行为相关的品质因数。

该团队研究发现，晶体硅是实现在可见光范围内工作的电介质天线的最佳材料，其中锗在红外光频段的性能表现优于其他材料。在中红外光谱范围，锗-碲化合物表现出了最佳性能。

该小组还研究了所有介电纳米结构的制造方法。研究人员还发现针对某些材料尚未开发可用于制造共振纳米颗粒的技术，例如，利用锗锗材料制造纳米天线的方法尚未开发。

图a为等离子体基元中的光谐振示意图，b为纳米颗粒中的光谐振示意图

硅材料

MIPT的研究员Denis Baranov表示：“毫无疑问，硅是电介质纳米天线制造中应用最广泛的材料。它成本低廉，且基于硅的制造技术是完备的。此外，它与CMOS技术相兼容，且满足半导体工程的行业标准，这一点也是非常重要的。”

Baranov补充道：“但硅不是唯一的选择，在光学范围内其他具有更好折射率的材料也可能存在，一旦被开发，那么这对电介质纳米光子学来说将是个好消息。”

图为多种高折射率材料在品质因数方面的比较

平衡指标

在研究的过程中，研究人员认为需要平衡高折射率和能量损失之间的关系。半导体中的高折射率与电子的带间跃迁有关，因此不可避免地需要吸收入射光携带的能量，这种吸收将导致品质因数的降低。

研究意义

ITMO的研究人员Dmitry Zuev表示：“该研究是十分有意义的，因为它不仅提供了高折射率材料的最全面信息，显示了其中哪些最适合制造某光谱范围内的纳米天线，还提供了所涉及的制造过程的相关分析。这使得研究人员可以根据特定情况选择所需要的材料，以及配套的技术，这对于拓展开发各种介电纳米光子器件来说是一种强有力的工具。”

该研究成果可服务于纳米光子学工程师方便其开发基于高折射率介电材料的新型谐振纳米天线，同时还对寻求具有更高折射率的更好材料和新型低成本制造方法的前景进行了展望。