评估载流银纳米线中的等离激元传输

摘要

银纳米线能够以表面等离激元的形式同时传输电子和光学信息。本文描述了一种实现此类共享电路的方法，并评估了两种信息载体在传播过程中的局限性。

摘要

等离激元学是一种新兴技术，能够在同一信息载体上同时传输等离激元信号和电子信号^1,2,3。在这一背景下，金属纳米线特别适用于实现高密度布线网络⁴。要运行此类基于共享纳米线的平台，前提在于我们能够对单根金属纳米线进行电接触，并在此信息载体中高效激发表面等离激元极化激元⁵。本文描述了一种将电极引线连接到随机分布在玻璃基底上的化学合成银纳米线的实验方案⁶。在将样品封装于电子束敏感性抗蚀剂之前，首先利用标准光学透射显微镜精确定位纳米线末端相对于预设标记的位置⁷。随后通过电子束光刻技术设计出代表电极布局的沟槽结构。通过热蒸发沉积Cr/Au层并结合化学剥离工艺制备金属电极。最终将已连接电极的银纳米线转移至泄漏辐射显微镜中，用于表面等离激元的激发与表征^8,9。通过将一束近红外激光聚焦于一个衍射极限的光斑并使其覆盖某一根纳米线的端部，从而在纳米线中激发表面等离激元^5,9。对于尺寸足够大的纳米线，表面等离激元模式会向玻璃基底中泄漏^9,10。这种泄漏辐射可在泄漏辐射显微镜的不同共轭平面上被直接探测、成像和分析^9,11。电极引线本身不影响等离激元的传播。然而，电流引起的纳米线形貌退化会严重破坏表面等离激元的传输。将表面等离激元泄漏辐射显微技术与纳米线电输运特性的同步分析相结合，可揭示此类等离激元电路的内在局限性。

引言

等离激元学旨在通过一种称为表面等离激元极化激元的电子密度波，在共享的物理载体上实现电子学与光子学的融合^1,2,3。表面等离激元可在多种波导几何结构和界面中传播。其中，金属纳米线尤为理想。作为一种准一维结构，它能够将等离激元场强烈地限制在远小于波长的尺度上，同时充当可承载电子流的电互连，如图1的艺术示意图所示。

表面等离激元传播和电子输运均对纳米线的结构不均匀性敏感例如. 扭结，晶格缺陷， 等等。。由于化学合成的金属纳米线能够以单晶形式生长且缺陷较少，⁶ 通常比通过自上而下方法制备的非晶态金属纳米线具有更优的输运性能例如 电子束光刻¹²等离激元网络单元的实现需要将纳米线从胶体溶液中转移至玻璃基底。无需任何复杂的预图案化处理，如表面功能化¹³ 或自组装技术¹⁴，纳米线通常在基底上随机取向。这种取向的无序分布极大地增加了将纳米线与外部电源进行电学连接的难度。

本文中，通过源极和漏极电学端子成功实现了对随机取向的化学合成银纳米线的电接触。为此，将光学显微镜与电子束光刻技术相结合，以精确定位纳米线并制备电极^15,16。文中描述了一种用于评估该电路电-等离激元性能的表征方法。在电极制备完成后，将已连接电极的纳米线转移....

方案

1. 银胶体溶液的合成 纳米线

采用改进的多元醇辅助法合成了表面光滑、结构均匀的银纳米线（Ag NWs）⁶。在典型的Ag NWs合成过程中，按以下步骤依次进行：

1. 加入12 ml 乙二醇（EG）在100 ml中 预清洗的圆底带盖烧瓶
2. 将溶液加热至150 °1 小时，C 在油浴（二甲基硅油）中以260 rpm的转速进行磁力搅拌。
3. 加入 4 ml AgNO₃₃ （在EG溶液中为0.2 M）通过滴加。在此过程中，反应溶液的颜色由无色变为透明亮黄色，表明银晶种正在生长。
4. 缓慢注入4 ml聚乙烯吡咯烷酮（PVP）溶液（浓度为22.2 mg/ml） 在反应溶液中用移液器加入 EG 溶液。在该反应中，EG 既作为溶剂又作为还原剂，而 PVP 能够促进银单晶沿特定方向生长。
5. 用盖子盖住反应瓶。150分钟后，溶液颜色由浅黄色变为鼠尾草绿色。最终，胶体呈现浑浊的银灰色。
6. 通过将烧瓶置于冰水浴中以降低溶液温度，从而终止反应。
7. 转移1 ml 将胶体溶液加入已装有3 ml离心管中 丙酮。
8. 将离心管在600 x 25 分钟，g 力离心
9. 移除上清液，加入 4 ml 去离子水。....

结果

图2(a) 显示了采用上述方案合成的典型银纳米线的扫描电子显微镜照片，纳米线长度为10 mm。从左侧末端的放大图中可见，该纳米线的宽度为200 nm。 图 2(b)图中清晰地显示出晶体生长的五重对称性。纳米线表面无可见缺陷。例如 扭结，颗粒 等等。）。该合成方法导致纳米线的长度和宽度分布较广。在最粗的纳米线周围，明显可见较短且较细的纳米线。 图2(a).

图3展示了在玻璃基底上光刻出的对准标记的典型扫描电子显微图像。位于写入区域四角的四个大型对准标记（实线箭头所示）用于在连续光刻步骤之间传递坐标系。为了提高重新定位时的位置精度，借助位于网格阵列每个角落的小型标记（虚线箭头所示）进行第二次对准。写入区域中心标有标记的十字形结构可用于借助光学显微镜精确定位随机沉积的纳米线。

图4 显示了在玻璃基底上沉积的银纳米线在电极制备前后的.......

讨论

合成过程中使用了过量的化学表面活性剂，这些表面活性剂仍结合在纳米线表面，如图9(a)的透射电子显微图像所示。该层形成介电势垒，阻止电流通过电极-纳米线界面。图10(a) 和(b) 展示了典型的电流-电压特性曲线。在特定偏压下，曲线上出现明显的电流阶跃。当纳米线中的电流密度足够大，足以物理破坏表面活性剂层时，便会发生这些阶跃。通常在经历一到三次阶跃后，电极与纳米线之间会形成欧姆接触。在此导通点，当偏压略低于1 V时，典型电流值范围为5–10 mA。进一步增加偏压时需特别注意。在此类电学条件下，电流密度可能达到电迁移阈值，从而导致纳米线不可逆的破坏。当欧姆接触形成后，电流/电压特性呈现线性趋势，表明形成了金属接触（图8(a)）。

另一个值得关注的问题出现在需要对直径超过100 nm的纳米线建立电接触时。制备电极的方案要求在 <70 nm 厚的 Cr/Au 层。这一限制确保了电子敏感性光刻胶高度与蒸发沉积的金层厚度之间的优化比.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
DMEM	英维特罗根	ABCD1234
乙二醇（EG）	国药集团化学试剂有限公司	T20111130
PMMA	Allresist	AR-P 679
分析纯级丙酮（Analar Normapur）	VWR Prolabo	20066.296
分析纯级异丙醇（IPA Analar Normapur）	VWR Prolabo	20842.298
AgNO3	国药集团化学试剂有限公司	20080826
聚乙烯吡咯烷酮（PVP）	阿拉丁化学有限公司	1041671-31744
二甲基硅油	国药集团有限公司	H201-500
丙二醇甲醚醋酸酯	Microchemicals Gmbh	AZ EBR
倒置光学显微镜	尼康	TE 2000
显微镜物镜	尼康	1.49/100X TIRF Plan-Apo
CCD相机（2台）	Andor	Luca-S
稳压电源	RHK	SPM 1000
数据采集系统	RHK	SPM 1000
电流-电压转换器	自制	增益 10 mA/V
电子束显微镜	JEOL	FEG 6500
光刻附加装置	RAITH	Elphy
旋涂仪	PRIMUS	STT15
热蒸发镀膜仪	PLASSYS	MEB 400
微米级探针台（2台）	SÜSS MicroTec	PH110
压电位移台	Mad City Labs	Nano LP100