撰稿 / 張鳳吟 (科學推展中心特約編輯)
圖1、(a)鍺超穎介面光偵測器的示意圖，鍺超穎介面對齊金電極。(b)鍺超穎介面在電子顯微鏡下的俯視圖。
超穎材料(metamaterial)或超穎介面(metasurface)是近20年發展最快的領域之一 ，「超穎 (meta-)」一詞代表人工設計的某種週期性排列，因此具有一般天然材料沒有的特性。國立陽明交通大學光電學院陳國平教授與其跨國研究團隊以鍺奈米粒子組成超穎介面，藉由調控其週期性排列而成功開發出近紅外光波段高吸收之鍺光偵測器，其吸收率為普通鍺薄膜的6倍。團隊優異的成果發表在著名的國際期刊《ACS Nano》上[1]。
半導體是目前人類科技發展中最重要的產業之一，以矽為基礎的技術已被廣泛研究，而包含矽的光偵測器也是研究人員的熱門主題。不過，對於傳統光通訊所使用的波段(如1550 nm等近紅外光)，矽對它們是透明、吸收率低的，因此不適合做為此波段的光偵測器。鍺因為能隙小，並與互補式金屬氧化物半導體(CMOS)技術相容，成為晶片光偵測器的一個理想候選材料。然而，鍺對電磁波的吸收率從可見光到近紅外光明顯降低，代表其量子效率(光子轉換成電子的效率)會隨著波長增加而遞減。為了解決這個問題，一些研究人員嘗試透過磊晶成長製作高品質的鍺薄膜，近年來鍺的PIN光偵測器成為研究主流，但都面臨到低量子效率或低偵測效率的問題。
為了克服這些挑戰，陳國平教授團隊將鍺奈米粒子週期性排列成2維的陣列，由於鍺是高折射率(高介電常數)的介質，在電磁波下，鍺奈米粒子容易被電磁場極化，產生電偶極共振與磁偶極共振。當陣列有效電偶極與磁偶極相等時，電磁波的反射因破壞性干涉而消失，這個現象稱為晶格Kerker效應(lattice Kerker effect)。Kerker 效應最早在1983年由美國物理化學家Milton Kerker所提出[2]，原始想法是一種假想的磁球體(磁導率\(\mu\neq1\))，在介電常數\(\epsilon=\mu\)的特殊情況下，電磁波的向後散射(backward scattering)會完全消失，但由於當時磁球體並不存在，Kerker效應一直到近年超穎材料的快速發展才受到大家高度重視，並廣義化應用在材料的光學性質控制。
在文獻中，有研究人員嘗試透過調整奈米圓盤直徑使內部的電偶極與磁偶極耦合，利用Kerker效應來展現鍺奈米元件的超吸收率。陳國平教授團隊採取不一樣的方式：由於奈米粒子之間的耦合作用，當排列週期與奈米粒子的共振波長匹配時，會引發晶格共振(lattice resonance)，產生額外的窄頻共振特徵。研究團隊藉由改變陣列的橫向週期(Py，假設電場極化方向沿x軸)來調整電偶極晶格共振(electric dipole lattice resonance，EDLR)使之與磁偶極共振重合，引發晶格Kerker效應，並因電偶極與磁偶極耦合共振生成侷限的近場(near-field)更加強了吸收率。
陳國平教授團隊從數值模擬與實驗來闡明鍺光吸收元件在光通訊波長(1550 nm)的光學特性。鍺超穎介面光偵測器的設置如圖1，奈米粒子陣列放在玻璃基板上，入射波長1550 nm電磁波，研究團隊固定縱向週期(Px，沿極化方向)，改變橫向週期Py到EDLR與磁偶極共振重合，此時反射被抑制。
奈米粒子的折射率虛數項小時，向後散射的能量會轉換成向前散射；而奈米粒子的折射率虛數項大時，大部分向前散射的能量會儲存在粒子內，導致低的穿透率(Transmittance)。鍺在1550 nm波長的折射率具有中等的虛數項，足夠產生窄頻的吸收。接著，在滿足1550 nm 波長Kerker效應的Py下，研究團隊測量鍺超穎介面對入射電磁波波長400 nm至1700 nm的光學響應(結果如圖2)，電磁波穿透率在1550 nm時明顯下降，顯示高的吸收度。和同厚度的一般鍺薄膜相比，鍺超穎介面在1550nm波長的吸收率為其6倍(圖2(b))。
圖2、(a) 在滿足Kerker效應的Py下，反射(黑)與穿透(紅)頻譜的實驗與模擬結果。(b)鍺超穎介面(黑)與等厚度鍺薄膜(紅)的吸收頻譜比較。
為了檢驗鍺超穎介面的量子效率，研究團隊測量元件產生的光電流。團隊將鍺奈米陣列放置在二氧化矽上，以矽為基板，實驗結果顯示，在+1V的偏壓下，和鍺薄膜光偵測器相比，鍺超穎介面元件的光電流增高5倍。陳國平教授表示，這是因為奈米粒子的近場效應與半導體作用進一步將光能轉換成電。
利用介電奈米結構，陳國平教授團隊的元件效能展示了選擇性窄頻超穎介面光偵測器在通訊上的應用。當結合了晶格Kerker效應，在不久的將來，它亦可提供有效率的應用在量子感測、非線性光學、通訊與影像等技術上。
參考文獻
[1] Zhong-Xing Zhou, Ming-Jyun Ye, Min-Wen Yu, Jhen-Hong Yang, Kuan-Lin Su, Chung-Ching Yang, Cheng-Yeh Lin, Viktoriia E. Babicheva, Ivan V. Timofeev, Kuo-Ping Chen*, “Germanium Metasurfaces with Lattice Kerker Effect in Near-Infrared Photodetectors”, ACS Nano (2022)
[2] Kerker, M.; Wang, D.-S.; Giles, C. L. “Electromagnetic scattering by magnetic spheres”. Journal of the Optical Society of America 73 (6): 765–767 (1983).
