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近红外自由空间光通信中，铅硫量子点（PbS QDs）光转换层因微秒级荧光寿命和显著的俄歇复合而带宽受限。本研究通过种子介导合成高比表面积金纳米棒（Au NRs）并利用溶剂蒸发自组装（EISA）技术制备出近红外强局域表面等离子共振（LSPR）阵列，实现PbS QDs与金纳米棒的光谱共振耦合。实验表明，垂直排列的金纳米棒阵列使荧光强度提升769%，荧光寿命从860ns缩短至279ns， Purcell增强因子达3.1。集成原型系统在1150nm处实现-3dB带宽930kHz，支持2Mbps OOK通信，误码率3.8×10?3，显著优于传统QD器件。
王泽毅|陈林琦|李静洲|陈旭婷|李新杰|周北尔|董红星|张龙
中国科学院杭州高等研究院，中国杭州310024
摘要
铅硫化物量子点（PbS QDs）由于具有可调的带隙和宽光谱响应，在近红外（NIR）自由空间光通信（FSOC）领域展现出巨大潜力。然而，它们微秒级的光致发光（PL）寿命和显著的奥格复合效应严重限制了调制带宽和信噪比。等离子体纳米结构可以通过普塞尔效应（Purcell effect）来解决这些限制，但相关的光刻制造工艺会降低可扩展性和精确的亚波长结构化能力。本研究提出了一种无需光刻的简便方法，用于制备密集排列、垂直对齐的金纳米棒（Au NR）阵列，这些纳米棒在近红外范围内具有强烈的局域表面等离子体共振（LSPR）。通过结合种子介导的高长宽比Au NR合成与在功能化基底上的精确溶剂蒸发诱导自组装（EISA），实现了垂直排列的阵列。将垂直排列的Au NR阵列与PbS QD光转换层集成后，共振时的PL强度提高了769%。此外，强近场限制下的普塞尔效应加速了自发发射，使平均PL寿命从860 ns缩短至279 ns——这对提高带宽至关重要。在一个代表性的FSOC链路中，采用这种优化的PbS QD光转换材料，在环境条件下实现了930 kHz的?3 dB带宽和2.0 Mbps的开关键控（OOK）传输，误比特率（BER）为3.8 × 10?3。这表明与基线QD器件相比有了显著改进，并验证了EISA制造的等离子体阵列在高速NIR FSOC中的有效性。
引言
近红外FSOC作为一种关键的无线技术范式，利用近红外（约700–1400 nm）光作为信息载体，通过自由空间介质进行传输，包括地球大气层、水下环境和深空链路[1]、[2]、[3]。除了抗电磁干扰和潜在的高带宽等固有优势外，近红外光谱区域还具有独特的操作优势：在中等功率下对人眼安全，且对人视觉系统不可见[4]、[5]、[6]。这使得在低光照条件下或显示设备不工作时能够进行隐蔽通信，从而增强了下一代移动和安全通信网络的安全性[7]、[8]、[9]。因此，近红外FSOC成为补充和扩展现有射频系统能力的一个有吸引力的选择。
光转换层作为关键的光电转换器，从根本上决定了任何FSOC系统的性能指标，包括工作波长、响应度、带宽、噪声特性，以及最终的链路可靠性和稳定性[10]、[11]、[12]、[13]。胶体PbS QDs为下一代近红外光转换层提供了一个非常有前景的材料平台。它们的吸引力在于通过量子限制在技术上关键的近红外和短波红外（SWIR，1000–2000 nm）光谱区域内具有可调的带隙，兼容低成本、溶液处理的制造技术（如喷墨打印、旋涂），并且具有大规模器件集成的潜力[14]、[15]、[16]。然而，PbS QDs在实际应用于高带宽FSOC时面临显著的内在限制：（Ⅰ）微秒级的PL寿命（τ），这本质上限制了调制带宽（BW ≈ 1/(2πτ)）；（Ⅱ）在近红外/短波红外区域的辐射量子产率（QY）相对较低，尤其是与可见光发射体相比[17]、[18]。这些因素直接限制了基于QD的收发器可实现的数据速率和信噪比（SNR）。
表面等离子体共振（SPR）是指自由电子在金属-介质界面上传播时的量化集体振荡，在共振光激发下产生高度增强和空间限制的电磁场[19]、[20]。这种等离子体近场增强可以显著改变附近发射体的光子密度态（LDOS），从而操控其关键辐射特性[21]、[22]。等离子体技术在提升发光器件（包括LED和荧光团）的性能方面表现出显著效果，主要通过两种机制：普塞尔增强（加速辐射衰减率）和激发率增强（增加光子吸收率）[23]、[24]、[25]。关键的是，等离子体纳米结构与发射体之间的相互作用受到多种参数的复杂影响：两种材料的介电函数、它们的空间分离（决定耦合强度）、发射体的跃迁偶极矩相对于等离子体场的方向，以及发射体的吸收/发射带与纳米结构的LSPR之间的光谱重叠[26]、[27]、[28]。对于近红外/短波红外应用，金纳米棒（Au NR）是极具前景的等离子体增强剂。它们的各向异性几何结构支持强烈的纵向SPR模式，其峰值波长可以通过合成控制长宽比（长度/宽度）在近红外/短波红外光谱（800–2000 nm）范围内精确调节，从而与PbS QD的发射光谱实现最佳匹配[25]、[29]、[30]。
一种特别有效的策略是设计包含周期性等离子体纳米结构阵列的基底。这样的阵列可以在亚20 nm的粒子间隙内产生异常强烈且均匀的电场增强，放大LSPR效应[31]、[32]。最大化发射体增强效果需要发射体的PL最大值与阵列的集体LSPR共振之间有精确的光谱重叠。垂直对齐的金纳米棒阵列相比由其他金属或非金属材料（如Cu??Se、Cu??S或Ag）组成的等离子体系统具有明显优势[33]、[34]、[35]、[36]、[37]、[38]、[39]、[40]。首先，金具有优异的环境稳定性和抗氧化性，确保了长时间内的一致光学性能。这种稳定性是更具反应性的等离子体材料通常所缺乏的[33]、[34]、[35]、[36]。此外，纳米棒的各向异性几何结构支持强烈的纵向LSPR模式，这与通常在可见光范围（约500–600 nm）内共振的横向模式不同。这种纵向模式可以在近红外光谱范围内合成调节，从而与目标发射体的发射光谱实现精确匹配[37]、[38]。与横向模式相比，纵向模式在纳米棒末端表现出更大的偶极矩和更强的场限制，从而实现更大的普塞尔增强效应，这对于我们的基于PbS QD的1150 nm通信系统等近红外/短波红外应用特别有利[38]。第三，纳米棒的垂直排列使增强的近场垂直于基底，从而在平面器件堆叠中最大化其与发射层的光谱重叠[39]。最后，阵列的密集周期性排列在宏观区域内创造了均匀且强烈的电磁环境，这对于实现可重复的器件性能至关重要[40]。
因此，合理设计和精确制造具有可调LSPR线宽的等离子体阵列至关重要。一个重大挑战是在大面积上实现纳米级精度和均匀性。虽然自上而下的纳米制造技术（如电子束光刻、EBL）能够制造出高度定义的等离子体晶体，并具有优异的可重复性和可调性，但其亚波长图案化的复杂性、低吞吐量和高昂的可扩展制造成本构成了固有的限制[41]、[42]。自下而上的方法，即将预先合成的胶体金纳米棒组装成有序阵列，提供了一种有吸引力的替代方案。通过控制长宽比可以直接合成调节金纳米棒的纵向SPR，为定制等离子体共振提供了灵活的途径[43]、[44]、[45]。值得注意的是，实现垂直对齐、密集排列且均匀的金纳米棒阵列对于生成具有最大化且高度均匀电场增强的表面至关重要——这是实现一致、高性能光子器件的前提。
在这项工作中，我们提出了一种简便、可扩展且无需光刻的策略，显著提升了基于PbS QD的NIR-FSOC器件的性能。我们报告了一种等离子体平台的精确设计，该平台具有与1150 nm处PbS QD发射共振的垂直对齐的金纳米棒阵列。这是通过以下方法实现的：（Ⅰ）种子介导的高长宽比金纳米棒的合成，具有定制的纵向LSPR；（Ⅱ）EISA技术实现了大面积、六边形紧密排列的垂直阵列的可扩展制造。通过系统优化组装过程中的十六烷基三甲基溴化铵表面活性剂浓度和控制PbS QD与金纳米棒间距的聚（甲基丙烯酸甲酯）间隔层厚度，我们在1150 nm处实现了7.7倍的PL强度增强，并将荧光寿命从860 ns大幅缩短至279 ns。这种寿命的缩短直接证明了辐射复合速率的显著加速（普塞尔因子Fp ≈ τ?/τ ≈ 3.1），这归因于普塞尔效应对LDOS的修改。将该优化后的等离子体器件集成到原型FSOC链路中，实现了2.0 Mbps的峰值数据速率和935 kHz的?3 dB带宽，同时保持了低于前向纠错（FEC）极限（3.8×10?3）的误比特率（BER）。这种方法同时带来了显著的性能提升和可制造性，代表了向实用、低成本、等离子体增强型近红外通信系统迈出的重要一步。
部分摘录
化学品
氯化铅（PbCl?，≥99.99%）、三水合氯化金（HAuCl?·3H?O，≥99.9%）、油胺（OAm，C18: 80–90%）、油酸（OAc，≥97%）、正己烷（≥97%）、甲苯（≥99.5%）、十六烷基三甲基溴化铵（CTAB，≥99%）、硝酸银（AgNO?，≥99%）、油酸钠（NaOL，≥97%）、氯化钠（NaCl，≥99.5%）、抗坏血酸（AA，≥99%）和硼氢化钠（NaBH?，≥98%）均从Aladdin Biochemical Technology Corp购买。盐酸（HCl，37 wt%）从Shanghai RichJoint购买。结果与讨论
图1(a)示意性地展示了垂直对齐的金纳米棒阵列的制造过程以及最终的光学转换材料结构。该材料是在ITO玻璃基底上制造的。首先，将金纳米棒胶体溶液滴涂在超声清洗过的ITO玻璃上，然后在受控的温度和湿度条件下进行孵育（步骤Ⅰ）。溶剂完全蒸发后（步骤Ⅱ），实现了金纳米棒阵列的垂直对齐程度。
结论
本研究提出了一种无需光刻的、可扩展的策略，用于增强等离子体效应的PbS QDs光转换器，克服了近红外FSOC中的基本带宽限制。通过将高长宽比的金纳米棒与光谱定制的等离子体共振（1155 nm）和溶液处理的PbS QDs（发射波长：1150 nm）通过EISA集成，实现了共振的等离子体-激子耦合。优化金纳米棒阵列的浓度（2.0 mM CTAB）和10 nm的PMMA间隔层，最大化了普塞尔增强效应，大幅提升了集体PL性能。
CRediT作者贡献声明
王泽毅：撰写——原始草稿、软件开发、实验研究、数据分析。陈林琦：撰写——审稿与编辑、验证、监督、资金获取。李静洲：撰写——审稿与编辑、验证、实验研究。陈旭婷：数据分析。李新杰：数据分析。周北尔：数据分析。董红星：撰写——审稿与编辑、验证、监督、资源协调、项目管理、方法论设计。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号：12374297、12504375、62305078、12404487）、浙江省科学技术局（编号：TD2020002）、中国博士后科学基金会的博士后奖学金计划（C级）（编号：GZC20241815）、上海自然科学基金（编号：23ZR1471500、24ZR1474400）、中国博士后科学基金会（编号：2024M763397）的支持。H.D.感谢学术/技术研究领导的帮助。
