綜述 表面等離激元光柵在高靈敏紅外探測器中的應用《中國科學：物理學 力學 天文學》中文版2019年第12期出版復旦大學安正華課題組綜述文章，系統介紹了表面等離激元光柵在高靈敏紅外探測器中的設計和應用。引 言自1800年William Herschel發現紅外輻射後，紅外探測逐漸成為現代光電技術領域的重要分支。以諾貝爾物理學獎獲得者Wilhelm Wien錛 Max Planck等人為代表的科學家們建立了遠場範疇的紅外物理學基礎（圖1）。基于人們對遠場紅外物理學的科學認識，紅外探測技術的發展經過了漫長而曲折的歷程，直到上世紀60年代，光子型探測器才利用其材料特性優勢顯示出其在探測靈敏度上的巨大發展潛力。得益于分子束外延（MBE）技術的快速發展，半導體量子阱結構的材料質量、能帶工程調控自由度和大面積等優勢使得基于量子阱的紅外探測技術得到了極其廣泛的研究。圖1紅外物理學奠基人（圖片來自于網絡）近年來，由于表面等離激元光子學的興起，紅外探測技術從傳統的遠場範疇被快速推進到近場範疇，人們報導了利用等離激元對于光的近場耦合引發了很強的紅外探測增強效應。比如：Chu-Chieh Chang等人使用二維金屬孔陣列結構實現了量子阱/InAs量子點紅外光探測器，吸收增強130%。利用表面金屬圓孔陣列結構可實現入射光從量子點紅外光器件金屬孔薄膜和襯底不同方向入射時的目標紅外光探測，利用等離激元微腔的截止波長調控技術可制作單層量子阱長波紅外光探測器。在主流量子阱紅外探測器（QWIP）中，III-V族半導體材料研究最為廣泛並在近期得到飛速發展。但是，基于子帶間躍遷的QWIP屬于非本征探測器，其光學吸收的橫截面受到限制，

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單層量子阱光電耦合效率較低。為此，我們引入多種增強機制，分別採用表面等離激元光柵的近場場增強(SPP)效應和光敏浮柵(Photo-Gating)效應跨導放大機制，提升單層量子阱探測器的光電耦合效率和光導增益，從而提高器件探測性能。表面等離激元光柵的設計及光學性質“Plasma”最早于1839年作為生物學名詞出現，1928年美國物理學家Langmuir首次引入物理學，描述的是一種電中性電離氣體。1902年Wood在金屬光柵光學反射測量中觀察到表面等離激元現象，1956年Pines首次從理論上解釋了這種現象，歸因于金屬內的自由電子集體振蕩。表面等離激元光柵（即SPP光柵）的研究始于Ebbesen等人發現的增強透射（Enhanced Optical Transmission錛 EOT）現象。1998年，Ebbesen等人首次發現當光入射到孔陣列的金屬薄膜上時，其光學透射效率比傳統的預測透射效率高1-2個數量級。這種用傳統的電磁波衍射理論無法解釋的奇異現象引起了廣泛的關注，研究表明：金屬的SPP使光子通過小孔隧穿到金屬的另一面，然後又重新輻射，形成增強透射。週期性金屬孔陣列結構可以把能量局域在金屬的表面，這對新型光子和光電子器件的設計有很重要的意義，並且可以覆蓋從微波、太赫茲到紅外和可見光等很寬的波長範圍。針對紅外波段的SPP光柵設計與Ebbesen在可見近紅外波段的增強透射SPP光柵有著明顯的不同。圖2給出了典型的紅外SPP耦合光柵結構，光柵優化設計可以增強量子阱層處共振波長的光場強度，從而提高量子阱的光吸收效率。週期性金屬孔陣列結構或金屬塊結構耦合光柵能夠與遠場光耦合，

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然後把入射光偏振轉變成TM模式的電磁場，以滿足量子阱對光吸收的選擇定則要求。圖2週期性金屬十字孔陣列量子阱器件示意圖通過表面SPP光柵的褶皺設計並選擇合適的暗模式也可以進一步提高微腔的場增強效應和TE-TM偏振轉化效率。考慮到與CSIP器件的工藝兼容性，目前單層耦合的光柵制作工藝已經非常成熟，

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並被作為CSIP器件的標準耦合光柵。CSIP器件工藝CSIP器件（Charge Sensitive Infrared Phototransistor）在2005年由An等人提出並實現，是一種基于GaAs/AlGaAs材料的雙量子阱紅外光探測器。CSIP器件的基本原理是利用孤立的上層量子阱作為光敏浮柵然後通過場效應放大機制得到光信號。最初CSIP器件採用的光耦合結構為二維金屬正結構光柵（如圖3所示），其主要功能為將入射TE光轉化為量子阱激發所需的TM偏振態，實現量子阱對光吸收的選擇定則。之後經過理論和實驗對比，發現SPP耦合光柵在滿足偏振轉化功能的同時還具有更高的場增強效果，因此將優化的SPP耦合光柵作為CSIP的標準光柵。CSIP器件所用單晶材料結構是通過半導體能帶結構原理設計的，光敏浮柵的基態和第一激發態之間的能級差可根據應用需要進行靈活調節。圖3電荷感應紅外光電晶體管（CSIP）三維模型示意圖使用標準的微納加工工藝，如紫外光刻、濕法腐蝕、蒸發鍍膜、退火、電子束曝光等工藝可制備出不同尺寸的雙量子阱紅外光探測器件，

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然後快速退火形成歐姆接觸，如圖4所示。圖4標準六端器件的顯微鏡照片SPP耦合CSIP器件性能SPP耦合CSIP器件將表面等離激元的光場增強效應與半導體場效應結構的電荷放大效應有機結合在一起，從而實現優異的光電探測性能。器件性能測試在約5K的低溫下進行，器件操作中採用光敏浮柵動態時序調控技術，可以實現並調控CSIP器件的長波紅外光探測。同時，用傅立葉變換紅外光譜儀的慢步進掃描可研究CSIP器件光吸收譜。實驗研究表明，經過優化的SPP耦合CSIP器件光響應率達到1.2×104 A/W，比目前該波段的77K下工作商用MCT等探測器高約4個量級。CSIP器件獨特的增益機理使其特別適合于背景輻照低的應用場合，進一步優化光敏浮柵量子阱的尺寸可以實現紅外波段的單光子計數探測性能。展 望CSIP器件具有非常靈活的調控技術：可以通過調控表面等離激元耦合結構提高量子阱中光電耦合效率；可以調控量子阱能帶結構，調控子帶躍遷能量；有望將探測波長延伸至甚長波波段；有望拓展該類型器件的探測波長甚至研制多頻段探測器，以適用于高靈敏探測；有望在前沿的宇宙航天探測中得到實際應用。焦平面陣列探測器的研制也是CSIP器件的一項非常有競爭潛力的目標。因此，CSIP器件具有很大應用前景。SPP光柵耦合CSIP器件是高靈敏度紅外探測領域的一個新的方向，該器件在低輻射背景的紅外探測領域有著很好的應用前景。文章信息：王恆亮錛 徐潔錛 安正華. 表面等離激元光柵在高靈敏紅外探測器中的應用. 中國科學: 物理學 力學 天文學錛 2019錛 49: 124202http://engine.scichina.com/doi/10.1360/SSPMA-2019-0058 相關閱讀：“等離激元光子學”前沿論壇專題出版《中國科學: 物理學 力學 天文學》(中文版)和SCIENCE CHINA: Physics錛 Mechanics & Astronomy (SCPMA錛 英文版)是中國科學院主管、中國科學院和國家自然科學基金委員會共同主辦的綜合性學術刊物錛 均為月刊。英文版SCPMA被SCI錛 EI錛 ADS等數據庫收錄錛 2018年影響因子為3.986錛 Q1區。中文版被ESCI、Scopus、《中文核心期刊要目總覽》、《中國科學引文數據庫》等收錄錛 以出版熱點專題和專輯為主。中英文為兩本完全獨立的刊物。訂閱《中國科學: 物理學 力學 天文學》微信公眾號錛 手機同步關注最新熱點文章、新聞、科技資訊錛 請添加微信號SCPMA2014或掃描下方圖片關注.小編今天要用活生生的事例來幫助大家正確認識SCI。小編今天要講的一篇例文發表在2012年的Clinics and Research in Hepatology and Gastroenterology雜志上，PMID是22841412。限于版權問題，同時也為了幫助大家節約流量，小編就不貼出原文的內容了，僅對論文進行概括，感興趣的讀者可以自己去下載全文。這篇文章的作者幹了一件十分沒有技術含量和難度的事情。簡單來說，就是去病案室查閱了305份潰瘍性結腸炎（UC）患者的病例，發現其中196例患者的病例是比較完整的，可以用于後續分析。于是這位作者開始逐份閱讀病例，並從其中提取出年齡、性別、疾病持續時間、白細胞計數（WBC）、中性粒細胞計數、淋巴細胞計數、血沉（ESR）、C反應蛋白（CRP）等指標。然後（估計是到體檢中心）去找了50多個健康個體作為對照。研究對象就這樣招募完了，

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沒啥難度。接下來是數據分析，作者首先比較了UC患者和健康個體的白細胞計數、淋巴細胞計數、血小板計數等指標，發現兩組患者在這些指標上是有差異的。然後，作者按照Truelove和Witts標準將UC人群劃分為疾病活動組和非活動組，比較了兩組人群的WBC、中性粒細胞/淋巴細胞比值（NLR）、ESR、CRP，發現兩組患者的NLR、ESR和CRP是有差異的。 隨後作者又分析了一下NLR、ESR、WBC的關系，發現NLR與WBC、ESR是呈正相關的。最後，作者採用受試者工作特征曲線分析了一下NLR、WBC、CRP等指標預測疾病活動的能力，發現NLR的預測能力最強。文章到這裡就算完成了，標題就是：NLR是預測潰瘍性結腸炎疾病活動度的有益指標。不知道各位讀者看完上面的實驗方法和結果之後有何感想，是不是覺得有點不可思議？首先，

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這篇文章研究的指標太簡單，比如WBC、NLR、ESR、CRP都是常規得不能再常規的指標，不要說縣級醫院，估計社區醫院都能開展這些檢查。其次，

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研究的樣本量也不是很大，不到200位病人。國內的三甲醫院的消化科，一年經手的潰瘍性結腸炎患者估計都在300位以上。最後也是最最關鍵的是，該研究實在沒有什麼難度，也沒有技術含量，更不需要花錢。作者跑到病案室去看看病歷、提取下數據，剩下的就是分析數據和撰寫論文了。Clinicsand Research in Hepatology and Gastroenterology目前的影響因子是兩分左右，雖然算不上什麼高大上的雜志，但是對于我等潘坷唇玻椒腫鬩勻夢頤搶值煤喜宦Ｗ熗耍擋歡□備呶侍餼痛私餼雋恕１暇勾蟛糠潘懇繳罟匭牡幕共皇欠□謔裁SCI雜志上的問題，而是能不能發的問題。寫到這裡，估計部分讀者在想：這種論文都能發表在SCI雜志上，豈不是侮辱我等智商。這種想法大約就反映了中國學者和西方學者學術評價標準不同的問題。國內學者喜歡用研究的復雜程度、研究者所承受的勞動強度、研究的數據量、樣本量、手段或指標的新穎性等來衡量研究的價值。一看研究的指標太常規、樣本量太小，研究方案太簡單，就會覺得研究沒有價值。但西方學者認為，不管你用了什麼方法、也不管您付出了多少勞動，只要把問題圓滿地解決了，論文就應該發表。這篇文章翻譯成中文後估計很難發表在核心期刊上。原因主要在于：樣本量不大（n=196）、指標不新、而且還是回顧性研究。但國外學者就不同了，他們更看重研究的臨床價值、重視研究的整體新穎性和科研設計的嚴謹性。就本文而言，

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首先是有臨床價值的，因為作者發現NLR可以評價UC的疾病活動度，雖然評價UC疾病活動度的方法有很多，但是NLR有其特有的優勢：便宜、易于獲取。從創新性上來講，這是第一篇評價NLR與UC疾病活動度的論文，當然是有創新性的。我們說不管白貓黑貓，抓住老鼠就是好貓。說到這裡，不知道各位讀者的三觀是否已被修復。不得不佩服的一點是：西方學者在判斷研究價值的標準確實更為客觀和普世，更能明白科研的真諦。科研不是文藝表演，其價值不能用“好看不好看、復雜不復雜”之類的標準來衡量，而應該著重于看其是否解決了一個需要解決的問題，問題解決得是否徹底。美捷登編輯：晉川小醫生發SCI系列（1）從小論文做起 http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=475824&do=blog&id=884838 描二維碼關注“美捷登”微信，