Overfladeplasmonpolaritoner lanceret af nano-emittere afbildes i nærfeltet – Physics World

Lysemittere lavet af 2D og kvasi-2D materialer er i øjeblikket af stor interesse for nano-optoelektronik, fordi deres mangel på dielektrisk screening betyder, at deres elektron-hul-par (excitoner) er utroligt følsomme over for deres miljø. Dette er fordelagtigt til fremstilling af enheder såsom højresponsive fotosensorer og elektrokemiske sensorer.

Når det aflejres direkte på overfladen af ​​et metal i et metal/dielektrisk substrat, kan lyset, der udsendes af disse kvasi-2D materialer eller "nano-emittere", generere overflade plasmon polaritoner (SPP'er). Disse er let-stof kvasipartikler, der eksisterer ved en metal/dielektrisk grænseflade og udbreder sig langs den som en bølge. En SPP er en elektromagnetisk bølge (polariton) i dielektrikumet, der er koblet til en oscillation af elektrisk ladning på overfladen af ​​metallet (overfladeplasmon). Som et resultat har SPP'er egenskaber, der ligner både stof og lys.

Det elektromagnetiske felt af en SPP er begrænset til nærfeltet. Dette betyder, at den kun eksisterer ved metal/dielektrisk grænseflade, hvor dens intensitet falder eksponentielt med stigende afstand ind i hvert medium. Dette resulterer i en stor forbedring af det elektriske felt, hvilket gør SPP'er utroligt følsomme over for deres miljø. Hvad mere er, kan nærfeltslys manipuleres på sub-bølgelængde skalaer.

Indtil nu er SPP/nano-emitter-systemer blevet undersøgt indgående i det optiske fjernfelt, men de anvendte billeddannelsesteknikker er diffraktionsbegrænsede, og vigtige underbølgelængdemekanismer kan ikke visualiseres. I en ny undersøgelse beskrevet i Nature Communications, har forskere i USA brugt tip-forstærket nanospektroskopi til at studere SPP'er i nano-emittere i nærområdet. Dette gjorde det muligt for holdet at visualisere rumlige og spektrale egenskaber af de udbredende SPP'er. Faktisk kunne deres forskning føre til spændende nye praktiske plasmoniske enheder.

Større er ikke altid bedre

I de senere år har forskning i fotoniske enheder og deres integration i kredsløb været af stor interesse i industrien og den akademiske verden. Dette skyldes, at fotoniske enheder sammenlignet med rent elektroniske enheder kan opnå højere energieffektivitet og hurtigere driftshastigheder.

Der er dog to store udfordringer, der skal overvindes, før fotonik overhaler elektronik i almindelige applikationer. Den ene er, at rent fotoniske enheder er svære at forbinde til at danne større kredsløb; og den anden er, at størrelsen af ​​fotoniske anordninger ikke kan gøres mindre end omkring halvdelen af ​​bølgelængden af ​​det lys, de behandler. Sidstnævnte begrænser enhedsstørrelser til omkring 500 nm, hvilket er meget større end moderne transistorer.

Begge disse problemer kan løses ved at skabe enheder, der fungerer ved hjælp af SPP'er, snarere end konventionelt lys. Dette skyldes, at de lyslignende egenskaber af SPP'er giver mulighed for ekstremt hurtig enhedsdrift, hvorimod de stoflignende egenskaber af SPP'er muliggør lettere integration i kredsløb og drift under diffraktionsgrænsen.

For at designe praktisk nanoelektronik er der imidlertid behov for en bedre forståelse af sub-bølgelængdeadfærden af ​​SPP'er. Nu, Kiyoung Jo, en ph.d.-studerende ved University of Pennsylvania, og kolleger har studeret SPP'er ved hjælp af tip-forstærket nanospektroskopi. Denne teknik kobler et fjernfeltsspektrometer med et atomkraftmikroskop (AFM).

Den guldbelagte AFM-spids spreder lys i nærfeltet, hvilket gør det muligt at afbilde SPP'erne rumligt og spektralt ved hjælp af spektrometeret. Prøven blev fremstillet ved spin-coating af en opløsning af kvasi-2D nanoplader (nanometerskala flager af lysemitteren CdSe/Cd_xZn_1-xS) på et guldsubstrat og derefter afsætte et aluminiumoxiddielektrikum ovenpå ved hjælp af atomlagsaflejring.

Nanoblodpladerne blev exciteret ved hjælp af en laser, og deres efterfølgende lysemission lancerede SPP'er, der forplantede sig langs guld/aluminiumoxid-grænsefladen. Forskerne observerede, at SPP'erne kunne forplante sig op til hundredvis af mikron og også kunne reflekteres af guldspidsen tilbage langs deres oprindelige vej. I tilfælde af refleksioner interfererede hændelsen og reflekterede SPP'er med hinanden og dannede en stående bølge mellem spidsen og nanopladen (se figur: "Kvasipartikelrefleksioner"). Eksperimentelt blev disse observeret som parabolformede frynser.

Efterhånden som afstanden mellem spidsen og nanopladen blev øget, fandt forskerne ud af, at det elektriske felts intensitet varierede periodisk. Dette bekræftede tilstedeværelsen af ​​en stående bølge og demonstrerede, hvordan nanopladen og spidsen fungerer som en slags hulrum. Computersimuleringer viste imidlertid, at selvom både spids og nanoplade er påkrævet for at observere frynser, er det elektromagnetiske felt, der genereres af SPP'erne, kun til stede med én, hvilket bekræfter, at begge er i stand til at starte SPP'er.

Polariton-kondensering kommer fra en bundet tilstand i kontinuummet

Forskerne undersøgte også effekten af ​​prøveegenskaberne på SPP-emissionen. For eksempel fandt de ud af, at frynser kun opstod, når nanoblodpladerne var "kantet op" (vinkelret på substratets plan), og excitationslaseren var polariseret, således at dens magnetfelt var vinkelret på indfaldsplanet (TM-polarisering) . Som et resultat kan polariseringen af ​​excitationslaseren bruges som en "switch" til nemt at tænde og slukke for SPP'erne, hvilket er en vigtig funktion for opto-elektroniske enheder. Holdet fandt også ud af, at formen af ​​frynserne kunne bruges til at bestemme dipolorienteringen af ​​nano-emitteren, hvor den parabolske form antyder en lille hældning (cirkulære frynser ville angive en vinkel på nøjagtigt 90° i forhold til underlagets plan) .

Tykkelse spillede også en vigtig rolle i SPP'ernes egenskaber, med tykkere nanoblodplader, der giver stærkere elektriske felter, og tykkere dielektrika resulterer i længere SPP-udbredelsesafstande. Undersøgelser, der anvender forskellige dielektriske materialer (titaniumdioxid; og monolag wolframdiselenid) viste, at på grund af øget indeslutning af elektriske felter resulterede en større dielektrisk permittivitet også i længere udbredelsesafstande. Dette er vigtigt at vide, da udbredelsesafstanden direkte korrelerer med energioverførsel fra SPP'erne. Jo opsummerer, at "Vi finder, visualiserer og karakteriserer energistrømmen i sub-bølgelængdeskala via SPP'er i nærheden af ​​individuelle nanoskala-emittere."

Holdet har vist, at spidsforstærket nanospektroskopi er et kraftfuldt værktøj til undersøgelse af nærfeltet i SPP-systemer, hvilket gør det muligt at bestemme forskellige egenskaber, såsom dipolorientering og implikationer af prøvedesign. "Evnen til at afbilde og undersøge sub-bølgelængde fotoniske fænomener i excitoniske halvledere gør [nærfeltsskanning optisk mikroskopi] til et værdifuldt værktøj til grundlæggende undersøgelser såvel som halvlederkarakterisering," siger Dyb Jariwala, som er korresponderende forfatter på papiret, der beskriver værket. En sådan forbedret forståelse af SPP-systemer vil være uvurderlig i udviklingen af ​​praktiske nano-optoelektroniske enheder.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Viden forstærket. Adgang her.
• Udmøntning af fremtiden med Adryenn Ashley. Adgang her.
• Køb og sælg aktier i PRE-IPO-virksomheder med PREIPO®. Adgang her.
• Kilde: https://physicsworld.com/a/surface-plasmon-polaritons-launched-by-nano-emitters-are-imaged-in-the-near-field/