Επιφανειακά πολαριτόνια πλασμονίου που εκτοξεύονται από νανοεκπομπούς απεικονίζονται στο κοντινό πεδίο - Physics World

Οι εκπομποί φωτός που κατασκευάζονται από υλικά 2D και οιονεί 2D παρουσιάζουν επί του παρόντος μεγάλο ενδιαφέρον στη νανο-οπτοηλεκτρονική επειδή η έλλειψη διηλεκτρικής διαλογής σημαίνει ότι τα ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών τους (εξιτονίων) είναι απίστευτα ευαίσθητα στο περιβάλλον τους. Αυτό είναι πλεονεκτικό για την κατασκευή συσκευών όπως φωτοαισθητήρες υψηλής απόκρισης και ηλεκτροχημικούς αισθητήρες.

Όταν εναποτίθεται απευθείας στην επιφάνεια ενός μετάλλου σε ένα μεταλλικό/διηλεκτρικό υπόστρωμα, το φως που εκπέμπεται από αυτά τα σχεδόν 2D υλικά ή «νανοεκπομπές» μπορεί να δημιουργήσει επιφανειακά πολαριτόνια πλασμονίου (SPPs). Αυτά είναι οιονεί σωματίδια ελαφριάς ύλης που υπάρχουν σε μια διεπαφή μετάλλου/διηλεκτρικού και διαδίδονται κατά μήκος της ως κύμα. Ένα SPP είναι ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα (πολάριτον) στο διηλεκτρικό που συνδέεται με μια ταλάντωση ηλεκτρικού φορτίου στην επιφάνεια του μετάλλου (επιφανειακό πλασμόνιο). Ως αποτέλεσμα, τα SPP έχουν ιδιότητες που είναι παρόμοιες τόσο με την ύλη όσο και με το φως.

Το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο ενός SPP περιορίζεται στο κοντινό πεδίο. Αυτό σημαίνει ότι υπάρχει μόνο στη διεπαφή μετάλλου/διηλεκτρικού, με την έντασή του να μειώνεται εκθετικά με την αύξηση της απόστασης σε κάθε μέσο. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα μια μεγάλη ενίσχυση του ηλεκτρικού πεδίου, καθιστώντας τα SPP απίστευτα ευαίσθητα στο περιβάλλον τους. Επιπλέον, το φως κοντινού πεδίου μπορεί να χειριστεί σε κλίμακες μήκους υπομήκους κύματος.

Μέχρι τώρα, τα συστήματα SPP/νανοεκπομπών έχουν μελετηθεί εκτενώς στο οπτικό μακρινό πεδίο, αλλά οι τεχνικές απεικόνισης που χρησιμοποιούνται είναι περιορισμένες σε περίθλαση και σημαντικοί μηχανισμοί υπομήκους κύματος δεν μπορούν να οπτικοποιηθούν. Σε μια νέα μελέτη που περιγράφεται στο Nature Communications, ερευνητές στις ΗΠΑ χρησιμοποίησαν νανοφασματοσκοπία με βελτιωμένη άκρη για να μελετήσουν SPP σε νανοεκπομπούς στο κοντινό πεδίο. Αυτό επέτρεψε στην ομάδα να οπτικοποιήσει τις χωρικές και φασματικές ιδιότητες των πολλαπλασιαζόμενων SPP. Πράγματι, η έρευνά τους θα μπορούσε να οδηγήσει σε συναρπαστικές νέες πρακτικές πλασμονικές συσκευές.

Το μεγαλύτερο δεν είναι πάντα καλύτερο

Τα τελευταία χρόνια, η έρευνα σε φωτονικές συσκευές και η ενσωμάτωσή τους σε κυκλώματα έχει μεγάλο ενδιαφέρον στη βιομηχανία και τον ακαδημαϊκό κόσμο. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι σε σύγκριση με τις αμιγώς ηλεκτρονικές συσκευές, οι φωτονικές συσκευές μπορούν να επιτύχουν υψηλότερη ενεργειακή απόδοση και μεγαλύτερες ταχύτητες λειτουργίας.

Ωστόσο, υπάρχουν δύο μεγάλες προκλήσεις που πρέπει να ξεπεραστούν προτού η φωτονική ξεπεράσει τα ηλεκτρονικά στις κύριες εφαρμογές. Το ένα είναι ότι οι αμιγώς φωτονικές συσκευές είναι δύσκολο να συνδεθούν μεταξύ τους για να σχηματίσουν μεγαλύτερα κυκλώματα. και το άλλο είναι ότι το μέγεθος των φωτονικών συσκευών δεν μπορεί να γίνει μικρότερο από το μισό περίπου μήκος κύματος του φωτός που επεξεργάζονται. Το τελευταίο περιορίζει τα μεγέθη των συσκευών σε περίπου 500 nm, το οποίο είναι πολύ μεγαλύτερο από τα σύγχρονα τρανζίστορ.

Και τα δύο αυτά προβλήματα μπορούν να λυθούν με τη δημιουργία συσκευών που λειτουργούν χρησιμοποιώντας SPP και όχι συμβατικό φως. Αυτό συμβαίνει επειδή οι ιδιότητες που μοιάζουν με το φως των SPP επιτρέπουν την εξαιρετικά γρήγορη λειτουργία της συσκευής, ενώ οι ιδιότητες της ύλης των SPP επιτρέπουν την ευκολότερη ενσωμάτωση σε κυκλώματα και τη λειτουργία κάτω από το όριο περίθλασης.

Ωστόσο, για να σχεδιαστούν πρακτικά νανοηλεκτρονικά, απαιτείται καλύτερη κατανόηση της συμπεριφοράς υπομήκους κύματος των SPP. Τώρα, Κιγιοούνγκ Τζο, φοιτητής διδακτορικού στο Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια, και οι συνάδελφοί του έχουν μελετήσει SPP χρησιμοποιώντας νανοφασματοσκοπία ενισχυμένης με άκρες. Αυτή η τεχνική συνδυάζει ένα φασματόμετρο μακριού πεδίου με ένα μικροσκόπιο ατομικής δύναμης (AFM).

Το άκρο AFM με επίστρωση χρυσού διασκορπίζει το φως στο κοντινό πεδίο, γεγονός που επιτρέπει στα SPP να απεικονίζονται χωρικά και φασματικά χρησιμοποιώντας το φασματόμετρο. Το δείγμα κατασκευάστηκε με επικάλυψη περιστροφής ενός διαλύματος οιονεί 2D νανοαιμοπεταλίων (νιφάδες κλίμακας νανομέτρων του εκπομπού φωτός CdSe/Cd_xZn_1-xS) σε ένα υπόστρωμα χρυσού και στη συνέχεια απόθεση ενός διηλεκτρικού οξειδίου του αλουμινίου από πάνω χρησιμοποιώντας εναπόθεση ατομικού στρώματος.

Τα νανοαιμοπετάλια ενθουσιάστηκαν χρησιμοποιώντας λέιζερ και η επακόλουθη εκπομπή φωτός τους εκτόξευσε SPP που διαδόθηκαν κατά μήκος της διεπαφής χρυσού/οξειδίου του αργιλίου. Οι ερευνητές παρατήρησαν ότι τα SPPs μπορούσαν να διαδοθούν έως και εκατοντάδες μικρά και θα μπορούσαν επίσης να αντανακλώνται από την άκρη του χρυσού πίσω στην αρχική τους διαδρομή. Σε περίπτωση αντανακλάσεων, τα προσπίπτοντα και τα ανακλώμενα SPP παρεμβάλλονται μεταξύ τους, σχηματίζοντας ένα στάσιμο κύμα μεταξύ του άκρου και του νανοαιμοπεταλίου (βλ. σχήμα: «Ανακλάσεις οιονεί σωματιδίων»). Πειραματικά, αυτά παρατηρήθηκαν ως κρόσσια παραβολικού σχήματος.

Καθώς η απόσταση μεταξύ του άκρου και του νανοαιμοπεταλίου αυξανόταν, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου ποικίλλει περιοδικά. Αυτό επιβεβαίωσε την παρουσία ενός στάσιμου κύματος και έδειξε πώς τα νανοαιμοπετάλια και το άκρο λειτουργούν ως ένα είδος κοιλότητας. Οι προσομοιώσεις σε υπολογιστή έδειξαν, ωστόσο, ότι, αν και τόσο η κορυφή όσο και τα νανοαιμοπετάλια απαιτούνται για την παρατήρηση των κροσσών, το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο που δημιουργείται από τα SPPs υπάρχει μόνο με ένα, επιβεβαιώνοντας ότι και τα δύο είναι σε θέση να εκτοξεύουν SPP.

Η συμπύκνωση Polariton αναδύεται από μια δεσμευμένη κατάσταση στο συνεχές

Οι ερευνητές ερεύνησαν επίσης την επίδραση των ιδιοτήτων του δείγματος στην εκπομπή SPP. Για παράδειγμα, βρήκαν ότι τα κρόσσια εμφανίζονταν μόνο όταν τα νανοαιμοπετάλια ήταν «προς τα άκρα» (κάθετα στο επίπεδο του υποστρώματος) και το λέιζερ διέγερσης ήταν πολωμένο έτσι ώστε το μαγνητικό του πεδίο να ήταν κάθετο στο επίπεδο πρόσπτωσης (πόλωση ΤΜ) . Ως αποτέλεσμα, η πόλωση του λέιζερ διέγερσης μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως «διακόπτης» για την εύκολη ενεργοποίηση και απενεργοποίηση των SPP, κάτι που είναι σημαντικό χαρακτηριστικό για τις οπτικοηλεκτρονικές συσκευές. Η ομάδα διαπίστωσε επίσης ότι το σχήμα των κροσσών θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τον προσδιορισμό του διπολικού προσανατολισμού του νανοεκπομπού, με το παραβολικό σχήμα να υποδηλώνει μια μικρή κλίση (τα κυκλικά κρόσσια θα έδειχναν γωνία ακριβώς 90° ως προς το επίπεδο του υποστρώματος) .

Το πάχος έπαιξε επίσης σημαντικό ρόλο στις ιδιότητες των SPP, με παχύτερα νανοαιμοπετάλια να παράγουν ισχυρότερα ηλεκτρικά πεδία και παχύτερα διηλεκτρικά με αποτέλεσμα μεγαλύτερες αποστάσεις διάδοσης SPP. Μελέτες με χρήση διαφορετικών διηλεκτρικών υλικών (διοξείδιο του τιτανίου, και μονοστρωματικό δισελενίδιο βολφραμίου) έδειξαν ότι, λόγω του αυξημένου περιορισμού του ηλεκτρικού πεδίου, μια μεγαλύτερη διηλεκτρική διαπερατότητα είχε επίσης ως αποτέλεσμα μεγαλύτερες αποστάσεις διάδοσης. Αυτό είναι σημαντικό να γνωρίζουμε, καθώς η απόσταση διάδοσης σχετίζεται άμεσα με τη μεταφορά ενέργειας από τα SPP. Ο Jo συνοψίζει ότι «Βρίσκουμε, οπτικοποιούμε και χαρακτηρίζουμε τη ροή ενέργειας υπο-κλίμακας κύματος μέσω SPP στην περιοχή μεμονωμένων εκπομπών νανοκλίμακας».

Η ομάδα έχει δείξει ότι η νανοφασματοσκοπία με βελτιωμένη άκρη είναι ένα ισχυρό εργαλείο για τη μελέτη του κοντινού πεδίου σε συστήματα SPP, επιτρέποντας τον προσδιορισμό διαφόρων ιδιοτήτων, όπως ο προσανατολισμός των διπόλων και οι επιπτώσεις του σχεδιασμού του δείγματος. «Η ικανότητα απεικόνισης και εξέτασης φωτονικών φαινομένων υπομήκους κύματος σε εξιτονικούς ημιαγωγούς καθιστά [το οπτικό μικροσκόπιο σάρωσης κοντινού πεδίου] ένα πολύτιμο εργαλείο για θεμελιώδεις μελέτες καθώς και για χαρακτηρισμό ημιαγωγών», λέει. Βαθιά Jariwala, ο οποίος είναι ο αντίστοιχος συγγραφέας στο χαρτί που περιγράφει το έργο. Μια τέτοια βελτιωμένη κατανόηση των συστημάτων SPP θα είναι ανεκτίμητη για την ανάπτυξη πρακτικών νανο-οπτοηλεκτρονικών συσκευών.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• Minting the Future με την Adryenn Ashley. Πρόσβαση εδώ.
• Αγορά και πώληση μετοχών σε εταιρείες PRE-IPO με το PREIPO®. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/surface-plasmon-polaritons-launched-by-nano-emitters-are-imaged-in-the-near-field/