目前，金纳米粒子(Au NPs)功能材料在构建生物传感器、电化学催化、光电、物化性能研究等方面具有广阔的应用前景。其中，在光子集成器件领域，基于表面等离子体共振（SPR）效应，金纳米粒子能产生的共振热能，可为光波导开关提供了稳定且可控热源，实现对光子器件的全光调制构想。但现今的金纳米粒子在掺杂入光学介质中时，很容易形成团簇，导致SPR效应急剧降低。
在研究中，吉林大学陈长鸣教授与费腾教授合作团队创新性提出采用金属有机骨架(MOF)的Au-MOF结构，可大幅提升Au NPs的担载量，并抑制Au NPs的团簇现象，增强Au NPs的光热转化效率。实验中，将Au-MOF掺入聚合物PMMA中形成有源光热波导基质，设计并制备了低驱动功耗（0.67 mW）、高光热灵敏度（19.10 nm/mW）的全光控有机-无机复合波导开关，相关技术在实现片上功能集成光子芯片的光交互、光调控等方面具有很好的应用前景。相关成果以吉林大学硕士研究生崔安琪为第一作者，吉林大学硕士研究生苗晓雅为共同一作，陈长鸣教授与费腾教授为共同通讯作者，题目为“All-Optical Organic-Inorganic Hybrid Waveguide Switches Based on Photothermal Effect of Au-MOF Composites”的论文发表在最新一期《Advanced Functional Materials》上。
在这项工作中，金纳米粒子SPR共振光热效应得以增强，主要得益于MOF结构的引入提升了对AuNPs的担载量，抑制Au NPs的团簇现象，增强Au NPs的光热转化效率。首先采用Au NPs/UIO-66-SO3H金属骨架结构，制备了不同固含量的Au-MOF/PMMA波导基质。确定了532 nm特征波长的共振吸收峰，由XRD和TEM表征了Au-MOF特性，根据图示TEM表征结果可以看出5 wt%的Au-MOF/PMMA无团簇，而15 wt%的Au-MOF/PMMA团簇严重，同时，XRD表征结果看出过高含量的Au NPs会破坏MOF的晶体结构，从而降低对Au NPs的担载量而形成团簇，因而确定以5 wt%的Au-MOF掺入聚合物PMMA作为波导全光开关的芯层材料，以ICP刻蚀制备的二氧化硅槽作为波导下包层，以RIE刻蚀后钝化生成的有机-无机复合材料作为波导芯层和上包层之间的阻挡层以阻隔上包层对芯层波导的侵蚀，以溶胶-凝胶法制备的有机-无机杂化PMMA作为波导的上包层，器件结构如图所示。
图1 Au-MOF/PMMA波导基质特性与有机-无机复合光开关器件结构示意图。
对所提出的开关芯片的器件尺寸和波导设计进行优化，确保在该结构下可实现泵浦光对信号光的高效调控，仿真了器件在1550 nm 波长下的开关状态切换所需要的热量，计算得实现Bar状态切换的理论热量为6.2 K；完成对532 nm波长泵浦光的SPR光热效应热场分析，理论计算得其光热转换效率为10 K/mW，仿真结果如图。
图2 有机-无机复合光开关器件开关特性与光热能量转化关系模拟。
完成了全光开关器件工艺制备，根据其显微镜顶视图和SEM侧视图表征，可以看出全光开关器件的结构得到了很好的保证；对比RIE刻蚀前后的薄膜XPS表征图谱，可以看出，刻蚀后的有机-无机复合薄膜无机成分相对含量增加，从而印证了有机-无机复合钝化层形成，钝化层的抗溶剂腐蚀性可以有效防止芯、包层之间的互溶现象。
图3 有机-无机复合光波导实际端面表征和刻蚀前后钝化层中的有机与无机成分分析。
对全光控波导开关芯片的动态与静态性能进行测试，结果如图所示。其中，在静态条件下，测得随着532 nm波长泵浦光功率的增大，其1550 nm波长信号光的光谱发生红移，其光热灵敏度为19.10 nm/mW, 驱动功耗为0.67 mW, 消光比为9.83 dB；在动态条件下，测得在200 Hz频率下其开关响应的上升时间和下降时间分别为500.9 μs和481.6 μs。
图4 全光控波导开关芯片的动态与静态性能参数测试图。
总结:本文创新性提出Au-MOF结构，可有效抑制 Au NPs在掺杂基质中的团簇现象，极大提高了Au NPs的SPR光热效应，通过刻蚀形成的有机-无机钝化层，可避免芯、包层间的互溶现象。设计并制备了基于金纳米粒子光热效应的全光控有机-无机复合波导开关。该开关具有低功耗、快响应、高光热灵敏度的优异性能，为片上集成全光网络信息处理系统提供了一种可行、有潜力的技术方案。
来源：高分子科学前沿
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