最新一期的《美国化学会·纳米》(ACS Nano)杂志刊登我院丁涛课题组与土木建筑工程学院刘泽课题组合作研究成果。他们利用超模塑压印技术制备了高品质的铝基等离激元纳米光波导，在保证高稳定性和低成本的同时实现了亚波长光子信息的路由、分光和加密等功能。武汉大学为唯一通讯单位，物院20级博士生姚佳成和土建学院21级硕士生方卉为该论文的共同第一作者， 刘泽和丁涛为共同通讯作者，徐红星院士参与指导该工作。

表面等离激元光波导由于其亚波长的场约束特性，是超紧凑光路片上集成的关键器件，被认为是下一代信息和通信技术最有前途的候选者之一。等离激元器件既可以作为实现全光学集成光子芯片的基石，也可以与硅电子器件兼容集成，有望解决当前计算机体系结构中的一些关键问题，例如在芯片间和芯片内水平上的高速互连。常见的金属光波导如银纳米线虽然其光学损耗相对较小，但是材料成本较高，化学稳定性通常较差，在实际应用中往往受到很大的限制。铝的欧姆损耗虽然比金、银要大，但是其材料成本大为降低。然而，现有技术中采用化学或者物理方法制备的铝基光波导存在操作复杂、成本高、产量低、单晶质量差等问题，这就导致其实际的光波导性能比理想的波导性能要差很多。

丁涛和刘泽课题组在前期合作的基础上，利用超模塑压印技术得到了高质量复杂有序的金属纳米结构，实现了高灵敏、可重复性好的表面增强拉曼应用（Adv. Mater. Technol. 2022, 7, 2100891；ACS Appl. Nano Mater. 2021, 4, 11644）。他们发现这种方法得到的金属纳米结构具有高质量的单晶特征，对于降低等离激元损耗具有非常重要的意义。在此基础上，他们瞄准成本低廉但常规手段很难制备的金属铝纳米结构，利用不同的AAO模板，得到超长笔直的和分叉结构的单晶铝纳米线（图1a-c）。研究发现其光波导的稳定性可以保持至少半年之久，而未经保护的银线通常在几个小时之内就发生变质，使得光波导性能衰退。而且这种压印的单晶铝纳米线的波导性能比电子束曝光制备的铝纳米线要高接近一个数量级。

图1. 超模塑压印制备金属铝纳米线及其在光波导方面的应用。(a)加工示意图，（b）TEM及电子衍射图，（c）分叉铝纳米线的偏振光学路由，（d）基于铝纳米线的光学信息加密与传输。

基于以上优势，这种单晶的铝纳米线可以稳定地实现光的路由、分光以及光子信息加密传输等应用(图1c,d)，为纳米光子芯片集成和制造提供了新的思路和途径。

该研究工作受到国家重点研发计划（2020YFA0211300），自然科学基金（11974265, 21703160, and 12172260），中央高校基本科研业务费（2042023kf0211, 2042023kf0233）和湖北省重点研发计划（2021BAA192）资助。武汉大学科研公共服务条件平台、纳米中心、电镜中心和超算中心对相关材料的表征和计算提供支撑服务，张顺平教授在相关模拟中提供宝贵建议。

论文信息：

Superplastic Nanomolding of Aluminum Waveguides for Subwavelength Light Routing, Splitting, and Encryption

Jiacheng Yao†, Hui Fang†, Yong Li, Ze Liu*, Hongxing Xu, and Tao Ding*

ACS Nano 2023, 17(17): 17342–17349

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c05358