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可扩展的介电和等离子体光学超表面制造在商业化平面光学、光学传感器及其他光电设备中至关重要。尽管光刻、纳米压印光刻及自组装等技术已用于大面积超表面制造，但涉及材料沉积和去除的多步骤工艺仍是简化大规模生产的主要障碍。另一方面，尽管聚合物超表面在相位变化和散射方面表现良好，但在实现强光物质相互作用的共振演示上仍有不足。强光物质相互作用是激光、传感和量子超表面的核心部分，通过光学连续体中的束缚态（BICs）实现高质量因子（Q因子）共振，光可局域在小体积内。BICs能增强近场强度和延长腔体寿命，且其Q因子趋向于无限大，已在量子发射体增强、响应传感器阵列及非线性谐波生成等领域得到应用。

然而，聚合物的低折射率使得传统的高折射率柱结构在可见光范围内效果不佳。为隔离低折射率柱的模式，已采用金属基底，但金属的等离子体损耗限制了Q因子提升。在这一研究中，作者在可见光波长下进一步发展了这一架构，通过在金属基底上使用图案化聚合物光刻胶薄膜，实现了多种类型的BIC，并展示了使用胶体量子点作为掺杂物以实现量子发射体的Purcell增强。

如图1所示，嵌入聚合物准 BIC 超表面由位于银基底上的方形聚合物柱阵列组成，聚合物材料为MaN-2405电子束光刻胶，能制备高纵横比的柱形结构。通过FDTD仿真，调整柱高可实现两个BICs，且BIC波长可通过平面内参数调节。设计目标是在550 nm以上避免强烈等离子体吸收。柱形结构尺寸为W = 290 nm，H = 590 nm，P = 575 nm。为了减少边缘散射和阵列对称性破坏，作者制造了1毫米尺寸的样品。扫描电子显微镜图像显示柱形结构尺寸一致，侧壁垂直。尽管基部有轻微倒角，柱子的纵横比接近1:2，足以应对银膜沉积中的表面粗糙度。银的氧化效应较小，但黄金等低反应性金属可作为可行材料，前提是保持较高的反射率。

图 1. (a) 超表面结构示意图。(b) 模拟吸收谱随高度变化的情况，显示在大约600 nm和650 nm处有两个BICs。(c) 和 (d) 使用扫描电子显微镜（SEM）拍摄的样品顶视图和侧视图图。(c) 和 (d) 中的比例尺分别为2 μm和1 μm。

如图2所示，在正常入射条件下，中心波长为613 nm处Q因子约为500。角分辨吸收仿真显示，640 nm和660 nm处存在对称保护束缚态（SP-BICs）。在这些SP-BICs中，等离激元引起的共振幅度和Q因子随着接近BIC点而显著降低。640 nm的SP-BIC在Γ点（k_x = 0）处的能隙大于660 nm，尽管银在可见光波段的吸收较弱。660 nm处SP-BIC的Q因子更高，可能是由于等离激元损失的减小。角分辨光谱还表明，偶然BIC随着入射角变化而变宽且幅度减小，这对BIC超表面的实验验证非常重要。理论研究表明对于数值孔径（N_A）小于或等于0.02的测量设置，最大入射角约为1度。在700 nm以上，可以观察到强的晶格模式，但Q因子较低。使用宽带光源的光学测量显示，在614 nm处有共振峰，Q因子为305。

准束缚态介质波导模（准BIC）在量子发射体（如染料、量子点和稀土离子）的Purcell增强中表现出色。通过增加光学态的局部密度（LDOS），准BIC使电子激发态停留时间变短，促进辐射衰变，从而提高光子发射速率。结合其窄带特性，准BIC成为超表面激光器、量子光源和荧光传感器的理想腔体机制。通过模拟嵌入的偶极源，可以揭示高Q共振对应的窄带增益，展示超表面在613 nm处的窄带发射增强（图2f）。

图 2. (a) 模拟和 (b) 实验的正常入射吸收谱。(c) 模拟和 (d) 实验的超表面角度色散图。(e) 共振超表面的外部发射增强模拟。(f) 在膜图案化前后实验的自发荧光谱。

实验中，使用了商用CdSe/ZnS量子点（CQDs）（发射波长620 nm）并用375 nm脉冲激光源激发。尽管量子点的平均粒径为10.6 nm ± 1.4 nm，聚集现象导致生成大于超表面柱体尺寸的聚集体，从而使其坍塌（见图3a），增加了开发的复杂性。倒塌的光刻胶层无法为共振模式提供能量，同时大聚集体的发射掩盖了CQDs的修饰发射（见图3b）。由于准BIC模式适合通过低数值孔径观察，因此避免聚集体影响信号质量至关重要。

初步样品的SEM图像显示，一些CQDs未能完全嵌入柱体，影响了共振模式的重叠（见图3c）。在显影后，CQDs容易聚集，影响共振质量，如图3d所示。研究发现，轻微的溶剂搅拌有助于去除CQDs且不损坏柱体。轻微超声处理也有效去除了多余CQDs，但可能导致柱体移除。此外，CQDs的浓度和粒径也会影响共振特性，可能导致光谱偏移或展宽。低浓度CQDs虽能减轻此影响，但也可能被聚合物的自发荧光掩盖。因此，需要在二者之间找到平衡。如图3e和3f所示。尽管柱体之间仍有少量小簇，其影响较前两种情况较小，光谱展宽得到了显著改善。

图 3. 柱阵列的扫描电子显微镜（SEM）图像，分别为 (a) 未功能化的CQDs，(b) 在静止溶剂中开发不完全，(c) 功能化的CQDs和在开发过程中轻微搅动溶剂。(a-c) 中的比例尺分别为3 μm、2 μm和2 μm。(d, e, f) 分别为 (a-c) 所示超表面的归一化发射光谱。

为了增强共振聚合物超表面的能力，优化了阵列设计，支持优先极化发射。通过增强一个方向上的局部密度状态（LDOS），能够在该方向上发射更多光子。具体而言，将柱体在y方向的尺寸从W_y = 290 nm调整至W_y = 400 nm（图4a），模拟和实验结果均显示了极化依赖性，表明共振波长显著偏移，且每个共振的强度变化（图4b和4c）。尽管这种修改使得共振品质因数有所下降，柱体的散射导致x极化与非共振y极化模式发生耦合，但调整后的阵列质量与各向同性阵列相当。

尽管由于y方向柱体间隙缩小，要求更严格，但调整后的阵列依然保持较高的性能。将QDs集成到BIC阵列中，产生了窄带和宽带效应（图4d）。尽管发射光谱由宽带聚合物和中心波长为620 nm的窄Gaussian发射QDs组合而成，但这两者的贡献可以有效区分。x极化共振位置处出现了明显的二次峰，中心波长为636 nm。随着设计参数调整，线宽增大至约6 nm，Q因子略超100。使用数值孔径较大的物镜导致峰值扩展，增加了收集效率。测量的发射强度在带宽范围内增加了1.5倍以上。与共振效应不同，这可能是纳米结构普遍的结果，这些结构通过全内反射和其他量子点的散射，捕获了更多角度范围的光子。       

图 4. (a) 各向异性柱阵列的SEM图。比例尺为2 μm。(b) 模拟和 (c) 各向异性超表面的吸收光谱。(d) 通过旋转输出偏振片并从正交偏振中收集数据获得的偏振发射光谱。

论文展示了利用聚合物超表面实现准BICs，在可见光波长下实验Q因子达到305。样品制备过程仅包括电子束光刻和光刻胶显影，使其与大规模制造技术兼容。此外，通过采用先前报告的纳米粒子功能化方法和改进的显影流程，实现将CQDs集成到纳米柱中，去除因耗尽效应引起的聚集和过量纳米粒子等，展示了从CQD集成准BIC超表面中获得的窄带和偏振发射。所提出的超表面平台广泛适用于各种量子发射体和制造方法，并有望推进共振光学器件可扩展制造的发展。

文章来源

Sachin P. Kulkarni，Akhilesh Kumar Pathak，Sridhar Krishnaswamy，Koray Aydin*, High-Q emission from colloidal quantum dots embedded in polymer quasi-BIC metasurfaces. Nano letters, 2025.

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c05817