分子尺度上的定向等离子体激发

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NUS科学家已经开发了一种方法，用于在分子度尺度上用电驱动源定向激发等离子激元。利用光子装置传输信息的速度比纳米电子系统快得多，然而，装置尺寸往往要大得多，难以与纳米电子系统集成。等离子体学涉及研究光与带电粒子（如金属中的电子）之间的相互作用，有可能弥合纳米电子学和光子学之间的差距。一个重要的方面是：具有可以直接将电信号转换为等离子体的激振源，以克服小纳米电子器件和大光子元件之间的尺寸不匹配，这种“失配”受到大尺寸光子的限制。

等离子激元可以被视为受限光，比光子小100倍，具有与纳米电子学兼容的尺寸，还有希望能够控制等离子激元的激发方向，以便引导匹配更多组件，以减少对光学元件的需要。由NUS化学系Christian A.Nijhuis教授领导的研究团队，与来自科学、技术和研究机构（IMRE）材料研究和工程研究所的Nikodem Tomczak博士合作研究发现，分子（双势垒）结中表面等离子体激元(SPP)的激发方向，可以通过调节分子对电极表面的倾斜角来控制。这些SPP是像光子元件一样起作用的光波，以高速携带信息。

研究人员能够在不使用大型光学元件的情况下，沿隧道方向激发等离子激元，这可能会在器件的设计和制造中造成复杂的情况。双势垒分子结由单层分子组成，由两个部分组成，一个高导电单元和一个绝缘部分。分子被夹在两个金属电极之间。通过改变绝缘段的长度，可以精确地控制电子沿着其有效隧穿的导电段倾斜角。与传统金属氧化物隧道势垒不同，这些分子双势垒结中的隧穿方向可以精确控制。而且这些结果很有趣，因为等离子体激元源不受衍射限制，证明了在分子长度范围内等离子体激元的操纵。

而不需要使用大型光学元件，如天线或外部光源。这些结果为隧道结中的光和物质相互作用提供了新见解，并且是将隧道结与等离子体波导集成的重要下一步。电学技术对表面等离子体激元(SPPs)的定向激发，对于等离子体与分子电子学的集成或对其他元件的引导信号非常重要。研究基于量子力学隧穿分子双势垒结的电驱动等离子体激元，其中隧穿路径是由分子的化学结构，以及相对于表面法线的倾斜角而定义。S(CH2)nBPh在Au上的自组装单分子膜，其中烷基链和BPH单元串联定义了两个不同的隧道势垒，用于演示和控制几何效应。

BPH单元相对于曲面法线的倾斜角度取决于n的值，当n为偶数时为45°，n为奇数时为23°。烷基链的倾斜角固定在30°，与n无关。对于n=1-3的值，通过BPH单元定向隧道定向发射SPP。对于n>3的值，沿烷基链的隧穿作用主导了SPP激发。在不需要额外的片上光学元件(例如天线)或外部元件(例如光源)情况下实现定向发射SPP的分子水平控制。利用分子隧道结，该研究首次提供了分子双势垒隧道结的直接实验演示。