Nano-emitterite poolt välja lastud pinnaplasmoni polaritonid on kujutatud lähiväljas – füüsikamaailm

2D- ja kvaasi-2D-materjalidest valmistatud valguskiirgurid pakuvad praegu nano-optoelektroonika vastu suurt huvi, kuna nende dielektrilise sõelumise puudumine tähendab, et nende elektron-augu paarid (eksitonid) on nende keskkonna suhtes uskumatult tundlikud. See on kasulik selliste seadmete valmistamisel nagu väga reageerivad fotosensorid ja elektrokeemilised andurid.

Kui need sadestatakse otse metalli pinnale metall-/dielektrilises substraadis, võib nende kvaasi-2D-materjalide või "nano-emitterite" kiirgav valgus tekitada pinnaplasmonpolaritoneid (SPP-sid). Need on kerge aine kvaasiosakesed, mis eksisteerivad metalli/dielektri liidesel ja levivad seda mööda lainet. SPP on elektromagnetlaine (polariton) dielektrikus, mis on seotud elektrilaengu võnkumisega metalli pinnal (pinnaplasmon). Selle tulemusena on SPP-del omadused, mis on sarnased nii ainele kui ka valgusele.

SPP elektromagnetväli on piiratud lähiväljaga. See tähendab, et see eksisteerib ainult metalli/dielektrilise liideses, kusjuures selle intensiivsus väheneb eksponentsiaalselt, kui kaugus igasse keskkonda kasvab. Selle tulemuseks on elektrivälja suur suurenemine, muutes SPP-d oma keskkonna suhtes uskumatult tundlikuks. Veelgi enam, lähivälja valgust saab manipuleerida alamlainepikkuse skaalal.

Siiani on SPP/nano-emitteri süsteeme palju uuritud optilises kaugväljas, kuid kasutatud pilditehnikad on difraktsiooniga piiratud ja olulisi alamlainepikkuse mehhanisme ei saa visualiseerida. Uues uuringus, mida on kirjeldatud aastal Nature Communications, on USA teadlased kasutanud otstega täiustatud nanospektroskoopiat, et uurida SPP-sid nano-emitterites lähiväljal. See võimaldas meeskonnal visualiseerida levivate SPP-de ruumilisi ja spektraalseid omadusi. Tõepoolest, nende uurimistöö võib viia uute põnevate praktiliste plasmoniliste seadmeteni.

Suurem pole alati parem

Viimastel aastatel on tööstuses ja akadeemilistes ringkondades suurt huvi pakkunud fotooniliste seadmete ja nende vooluringidesse integreerimise uurimine. Seda seetõttu, et võrreldes puhtalt elektrooniliste seadmetega suudavad fotoonseadmed saavutada suurema energiatõhususe ja suurema töökiiruse.

Siiski on kaks suurt väljakutset, mis tuleb ületada enne, kui fotoonika ületab tavarakendustes elektroonika. Üks on see, et puhtalt fotoonseadmeid on raske omavahel ühendada, et moodustada suuremaid vooluringe; ja teine ​​on see, et fotooniliste seadmete suurust ei saa muuta väiksemaks kui umbes pool nende poolt töödeldava valguse lainepikkusest. Viimane piirab seadmete suurusi umbes 500 nm-ni, mis on palju suurem kui tänapäevased transistorid.

Mõlemat probleemi saab lahendada, luues seadmed, mis töötavad pigem SPP-de kui tavapärase valguse abil. Selle põhjuseks on asjaolu, et SPP-de valgustaolised omadused võimaldavad seadme ülikiiret töötamist, samas kui SPP-de ainelaadsed omadused võimaldavad hõlpsamini integreerida ahelatesse ja töötada allpool difraktsioonipiiri.

Praktilise nanoelektroonika kujundamiseks on aga vaja paremini mõista SPP-de alamlainepikkuse käitumist. Nüüd Kiyoung Jo, Pennsylvania ülikooli doktorant ja kolleegid on uurinud SPP-sid, kasutades otstega täiustatud nanospektroskoopiat. See meetod ühendab kaugvälja spektromeetri aatomjõumikroskoobiga (AFM).

Kullaga kaetud AFM-ots hajutab valgust lähiväljas, mis võimaldab spektromeetri abil SPP-sid ruumiliselt ja spektraalselt pildistada. Proov valmistati kvaasi-2D nanotrombotsüütide (valgusemitteri CdSe/Cd nanomeetri skaala helbed) lahusega tsentrifuugimise teel._xZn_1-xS) kullasubstraadile ja seejärel alumiiniumoksiidi dielektriku sadestamiseks aatomkihi sadestamise abil.

Nano trombotsüüdid ergastati laseriga ja nende järgnev valgusemissioon käivitas SPP-d, mis levisid mööda kulla/alumiiniumoksiidi liidest. Teadlased täheldasid, et SPP-d võivad levida kuni sadade mikronite ulatuses ja need võivad kajastuda ka kulla otsaga tagasi oma algset rada pidi. Peegelduste korral häirisid langevad ja peegeldunud SPP-d üksteist, moodustades otsa ja nanotrombotsüütide vahel seisva laine (vt joonist "Kvaasosakeste peegeldused"). Eksperimentaalselt täheldati neid paraboolse kujuga narmadena.

Kuna kaugus otsa ja nanotrombotsüütide vahel suurenes, leidsid teadlased, et elektrivälja intensiivsus varieerub perioodiliselt. See kinnitas seisva laine olemasolu ja näitas, kuidas nanotrombotsüüdid ja ots toimivad teatud tüüpi õõnsusega. Arvutisimulatsioonid näitasid siiski, et kuigi servade vaatlemiseks on vaja nii otsa kui ka nanotrombotsüüte, esineb SPP-de tekitatud elektromagnetväli ainult ühes, mis kinnitab, et mõlemad on võimelised SPP-sid käivitama.

Polaritoni kondensatsioon tekib kontiinumi seotud olekust

Teadlased uurisid ka proovi omaduste mõju SPP emissioonile. Näiteks leidsid nad, et narmad tekkisid ainult siis, kui nanotrombotsüüdid olid "servaga ülespoole" (risti substraadi tasapinnaga) ja ergastuslaser oli polariseeritud nii, et selle magnetväli oli langemistasandiga risti (TM polarisatsioon). . Selle tulemusena saab ergastava laseri polarisatsiooni kasutada "lülitina", et SPP-sid hõlpsalt sisse ja välja lülitada, mis on optoelektrooniliste seadmete oluline funktsioon. Meeskond leidis ka, et narmaste kuju saab kasutada nano-emitteri dipooli orientatsiooni määramiseks, kusjuures paraboolne kuju viitab väikesele kaldele (ringikujulised narmad näitavad substraadi tasapinna suhtes täpselt 90° nurka). .

Paksus mängis olulist rolli ka SPP omadustes, paksemad nanoplaadid andsid tugevamad elektriväljad ja paksemad dielektrikud, mille tulemuseks oli pikem SPP levimiskaugus. Erinevaid dielektrilisi materjale (titaandioksiid ja ühekihiline volframdiseleniid) kasutanud uuringud näitasid, et suurenenud elektrivälja piiramise tõttu põhjustas suurem dielektriline läbilaskvus ka pikemaid levimiskaugusi. Seda on oluline teada, kuna levimiskaugus on otseselt korrelatsioonis SPP-de energiaülekandega. Jo võtab kokku, et "leiame, visualiseerime ja iseloomustame alamlainepikkusega energiavoogu SPP-de kaudu üksikute nanoskaala emitterite läheduses."

Meeskond on näidanud, et otstega täiustatud nanospektroskoopia on võimas tööriist SPP süsteemide lähivälja uurimiseks, mis võimaldab määrata erinevaid omadusi, nagu dipooli orientatsioon ja proovi kavandamise tagajärjed. "Võime pildistada ja uurida eksitooniliste pooljuhtide alamlainepikkusega fotonilisi nähtusi muudab [lähivälja skaneeriva optilise mikroskoopia] väärtuslikuks vahendiks põhiuuringuteks ja pooljuhtide iseloomustamiseks," ütleb. Sügav Jariwala, kes on teost kirjeldaval paberil vastav autor. Selline parem arusaam SPP-süsteemidest on praktiliste nano-optoelektrooniliste seadmete väljatöötamisel hindamatu väärtusega.

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• PlatoAiStream. Web3 andmete luure. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• Tuleviku rahapaja Adryenn Ashley. Juurdepääs siia.
• Ostke ja müüge IPO-eelsete ettevõtete aktsiaid koos PREIPO®-ga. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://physicsworld.com/a/surface-plasmon-polaritons-launched-by-nano-emitters-are-imaged-in-the-near-field/