據麥姆斯咨詢報道，近日，華中科技大學張新宇教授團隊在Scientific Reports期刊上發表了題為“Lightwave nano-converging enhancement by an arrayed optical antenna based on metallic nano-cone-tips for CMOS imaging detection”的最新論文，文中提出了一種將金屬納米錐尖構成的光學天線陣列與COMS圖像傳感器耦合的新檢測方法，以實現非常微弱的光波檢測和光信號放大，該研究成果為進一步開發具有理想光電靈敏度和寬光譜適用性的光電探測器奠定了基礎。

眾所周知，表面等離子體（SP）主要來源于表面自由電子與入射光波之間的相互作用，可以在某些金屬或半導體材料的表面或界面上被有效地激發。在SP頻率與入射光波頻率一致且滿足動量守恒的條件下，穩定的SP共振可以被預測。因此，在幾種常見的金屬或半導體結構表面合理設計具有功能性的微納米結構，可以有效地調節區域SP能量和動量分布，甚至激發其表面傳輸，這意味著一種有效的可行方法，可以有效地控制或微調定向傳播，然后在特定頻帶內實現表面電磁波的空間共振聚集。

SP向金屬納米尖端（nano-tip）會聚，可以在納米尺度區域內實現高度集中化，然后顯著增強光場。然而，由于固有耗散和輻射損耗，SP共振的局部光場增強因子（LFEF，|E|2/|E?|2）通常會受到限制。具有高LFEF共振和抑制損耗的等離子體納米粒子結構對于許多需要強烈共振響應和強烈增強光-物質相互作用的應用非常有益。通常，SP納米聚焦不僅依賴于激發的表面共振波與構建的圖案化微納結構的相互作用，還被定義為一種透射現象。因此，與普通平面式納米天線相比，研究人員提出了直立式光學納米天線陣列。

根據表面電子密度波的一種特征形式，SP將以入射光波的特定偏振方向向單個納米尖端的頂點傳播。由于金屬尖端的有效尺寸較小，SP可以更有效地被引導，然后被擠壓到納米尺度空間（例如頂點）中，在納米尖端的高強度光場限制下，從而呈現出非常強的近場光波共振增強，這通常由納米尖端的銳度以及作為特殊量子點的頂點的庫侖阻塞（Coulomb blockade）決定。

在許多高科技應用和制造業中，例如在民用和國防領域，特別是在現代醫學成像和人工智能（AI）領域，迫切需要具有高空間分辨率、高靈敏度和超大陣列規模等多種典型性能的探測器。近年來，基于局部光場增強天線的高靈敏度光電探測器的開發逐漸成為研究熱點。到目前為止，研究人員已經實現了一些具有代表性的納米結構光電探測器，它們具有高光導增益、可控波長靈敏度、快速響應和高效的光電流轉換等特點，并且還表現出可調諧光吸收和高載流子遷移率的顯著光電特性。

在本論文中，研究人員開發了一種基于鍍金玻璃納米錐尖（GGNCT）的光學天線陣列，用于接收和會聚入射光波，其LFEF可達2 × 10?，最大光吸收可達98%。他們制作了具有不同結構尺寸的直立式GGNCT陣列。在633 nm波長處的近場光波測量表明，單個GGNCT上的表面凈電荷產生典型的偶極子振蕩，能量沿光波矢量方向傳輸，從而導致強烈的局部光場增強。在此基礎上，他們提出了一種將GGNCT陣列和CMOS圖像傳感器近場耦合的高效成像檢測方法。在這種情況下，納米天線陣列可以看作是放置在CMOS像素前的特殊光學濾波器，使其能夠更好地檢測增強后的微弱目標信號。通過將CMOS圖像傳感器與GGNCT陣列耦合，研究人員對波長為473 nm、532 nm、671 nm、980 nm的不同光波進行檢測實驗，結果表明，GGNCT陣列的吸收峰處可以獲得更好的凈電荷調節和聚集能力，并且可以獲得更強的檢測信號。該研究為進一步開發具有理想光電靈敏度和寬光譜適用性的光探測器奠定了基礎。

圖1 不同結構的GGNCT陣列的SEM顯微照片和制造流程

圖2 與三種類型的GGNCT陣列耦合的CMOS圖像傳感器對不同波長入射光波的檢測

圖3 GGNCT陣列在典型波長（473 nm, 532 nm, 671 nm, 980 nm）處的電場分布

本研究獲得了中國國家自然科學基金（No. 61432007和61176052）的支持。

審核編輯：郭婷