奈米光子學(nanophotonics)是21世紀初在光學方面的顯學，它有許多與傳統光學迥異的創新概念，引起許多科學家們的高度興趣，也讓許多工程師們設計出更小、更快且更靈敏的光學產品。它包含了許多很“hot”的領域，如光子晶體(photonic crystal)、電漿子共振(plasmon resonance)、奈米光學材料(量子點、量子線)、近場光學及超常介質材料(metamaterials)等。此次會議是由美國光學學會(OSA)及中國光學學會(COS)在中國南京合辨的會議，本文內容包括了作者發表的最新結果、會議中報告的重要發現及對中國大陸在奈米光子學領域發展的一些看法。
會議內容簡介
本次會議地點在中國南京新世紀大飯店，會議時問從五月26日到五月29日，一共舉行四天，包含四個會議型態，有全體出席的會議、短期課程、口頭報告及海報報告等，分別分為奈米光子學的十個領域，包含光子晶體、奈米製程、量子點研究、材料辨識分析、電漿子元件、奈米元件、奈米感測、生化光子學、奈米顆粒及超常介質材料。邀請了34個專家針對上述領域做較精闢的演講，另外並發表了共214篇論文，其中70%為中國大陸的研究人員所發表的，而有四成的論文均在光子晶體及電漿子元件的領域，可見得這兩個領域仍是奈米光子學內最熱門的研究題目。
最新奈米光子學的研究成果
工研院材化所發表“一種近場光學技術來觀測藍光光碟相變化記錄層的方法”， 這次我們在會議上發表了一種近場光學技術來觀測藍光光碟相變化記錄層的方法，這項技術為散射式近場光學顯微鏡(scattering-type scanning near-field optical microscopy, s-SNOM)，它具有小於10奈米的光學解析度，配合原子力顯微鏡及光學的外差干涉技術，可同時取得樣品的地貌圖、光場強度及光場相位影像。一般藍光光碟的最小記錄區域只有150奈米，用一般傳統的可見光光學顯微鏡因光學繞射極限的緣故，並不容易觀察到，對於藍光雷射所燒錄出來的形狀無法檢驗，有礙於高密度儲存光碟機的開發。常用的方法是利用掃描穿透式電子顯微鏡來做觀察，但使用這技術需要昂貴的設備投資，而樣品製作必須做繁雜的切片處理，所費的檢測費用高且檢測的時間長，並不方便使用。光碟儲存本身就是利用光學的折射率差異來做讀取，最好的方法當然是用光學的方法來做檢測，而此技術具有奈米尺度的光學解析度，非常適合做光碟片及相變化記憶體的檢測。
下圖為我們利用s-SNOM量測藍光光碟相變化記錄層的地貌圖(圖左)及光場強度圖(圖右)，從地貌圖可觀察到其軌道間距為330奈米，輿藍光光碟的規格320奈米相近，但並無法觀察到記錄區的資訊。而圖右的光場強度影像，可以很清楚的觀察到軌道上的記錄區域，量測到的最小記錄區域為160奈米，與規格非常接近。較暗的區域為非晶化狀態的相變化材料，而較亮為晶化狀態的相變化材料，這是因為非晶化狀態的相變化材料的散射強度比晶化狀態低，而導致的光學散射的差異，也使s-SNOM能有效的分辨兩種材料。這項結果據我們了解是全世界第一次使用s-SNOM的近場光學技術來檢測現在商用的藍光光碟儲存元件，也證實了此種方法對於相變化材料的檢測相當有用。
圖一、利用s-SNOM量測藍光光碟相變化記錄層的地貌圖(圖左)
及光場強度圖(圖右)
量子點研究、光子晶體及電漿子共振的研究成果
這次的會議雖然有十個不同領域的演講，但以數量來看，發表在量子點研究、光子晶體及電漿子共振的領域為最蓬勃。Paras N. Prasad 為紐約州立大學教授，他在奈米光子學方面為國際知名的專家，曾經著作過許多奈米光子學的書籍，他專長在於量子點的合成及研究，這次的演講他闡述量子點的應用在太陽電池及生醫等方面，同時結合金屬顆粒的電漿子共振行為來增強螢光，作為生物影像辨識，已經實際應用在活體上，同時他也研究磁性奈米粒子，增強核磁共振的訊號及癌症治療等應用，並基於上述的研究，提出奈米診所(nanoclinic)的概念，將奈米光子科技的生醫應用做相當精闢的解說，同時他也預期奈米光子學將在生醫上的應用會有最好及最快的展現。
光子晶體是一種非常特殊的光學性質，不像傳統光學。只要利用不同折射率的材質，做不同的週期性的組合，就可產生有別於傳統光學的各種光學特性，是不需去尋找或合成特殊的光學材料來展現特殊的光學性質。Eli Yablonovitch 教授是最早提出光子晶體概念的人，在這方面的著墨已有20年經歷，這次演講他闡述了許多光子晶體的應用，有光學調製器、notch filter、光柵偶合器、超靈敏的光電偵測器及矽光源等，同時他也預測結合表面電漿技術，將可製作出光電晶體的結構，提供了未來光子積體化的可能性。
另外還有幾篇不錯的演講分別是A.V.Zayats 博士利用液晶來控制超穿透的金屬奈米孔洞陣列的顏色，可應用在電壓控制的濾光片。L. Pang 教授則利用超穿透的金屬奈米孔洞陣列，配合偏振光及偏振態分析儀，提供另一種非衰減全反射式的表面電漿生化感測器(SPR bio-sensor)，折射率變化解析度可小於10-5 RIU，但裝置比一般傳統的SPR bio-sensor小很多，極具產品化價值。Okamoto 博士利用近場拉曼光譜影像技術，直接證實拉曼散射的增強是由於金屬粒子間的電漿子共振間隙模態所產生，以往要觀察到此模態都是利用電磁波模擬計算，這是第一個以實驗的方法證實此物理機制，其結果也發表在國際知名的奈米通訊月刊上。James. R. Leger 教授利用其獨特的偏極化工程技術，可製造出許多不同的偏極態的光束，如徑向偏極態、軸向偏極態、螺旋偏極態、階梯式偏極態等，可應用在光束的形狀修飾，適用與顯微光譜技術及偏光顯微鏡、旋光性物質與液晶研究上。仍有許多有趣的研究，再此不一一撰述。總括而言，此次會議感覺到較先進的奈米光子學研究重點區域，仍在歐美先進地區發展較快，大陸目前在此項科學上仍屬於萌芽階段，但越來越多的大陸學者已往此方向發展，可見未來會佔有一席之地。
對工研院材化所發展"散射式近場光學顯微鏡(SNOM)"技術有興趣者，可洽朱仁佑博士 (03)5916908
作者：朱仁佑 / 工研院材化所
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