پلاریتون های پلاسمون سطحی پرتاب شده توسط نانو تابشگرها در میدان نزدیک تصویربرداری می شوند - دنیای فیزیک

ساطع کننده های نور ساخته شده از مواد دوبعدی و شبه دوبعدی در حال حاضر مورد توجه زیادی در نانو اپتوالکترونیک هستند زیرا عدم غربالگری دی الکتریک آنها به این معنی است که جفت الکترون-حفره آنها (اکسیتون ها) به طور باورنکردنی نسبت به محیط خود حساس هستند. این برای ساخت وسایلی مانند حسگرهای نوری با واکنش بالا و حسگرهای الکتروشیمیایی مفید است.

هنگامی که مستقیماً روی سطح فلز در یک بستر فلزی/دی الکتریک قرار می گیرد، نور ساطع شده از این مواد شبه دو بعدی یا "نانو ساطع کننده ها" می تواند پلاریتون های پلاسمون سطحی (SPPs) تولید کند. اینها شبه ذرات ماده سبک هستند که در یک رابط فلز/دی الکتریک وجود دارند و در طول آن به صورت موج منتشر می شوند. SPP یک موج الکترومغناطیسی (پلاریتون) در دی الکتریک است که با نوسان بار الکتریکی روی سطح فلز (پلاسمون سطح) جفت می شود. در نتیجه، SPPها دارای خواصی هستند که هم به ماده و هم به نور شباهت دارند.

میدان الکترومغناطیسی یک SPP محدود به میدان نزدیک است. این بدان معناست که تنها در سطح مشترک فلز/دی الکتریک وجود دارد و شدت آن به صورت تصاعدی با افزایش فاصله در هر محیط کاهش می یابد. این منجر به افزایش بزرگ میدان الکتریکی می شود و SPP ها را به محیط خود بسیار حساس می کند. علاوه بر این، نور میدان نزدیک را می توان در مقیاس های طول موج فرعی دستکاری کرد.

تا به حال، سیستم‌های SPP/نانو امیتر به طور گسترده در میدان دور نوری مورد مطالعه قرار گرفته‌اند، اما تکنیک‌های تصویربرداری مورد استفاده محدود به پراش هستند و مکانیسم‌های مهم زیرموج قابل مشاهده نیستند. در یک مطالعه جدید که در طبیعت ارتباطاتمحققان در ایالات متحده از نانوطیف‌سنجی با نوک برای مطالعه SPPها در نانو انتشارات در میدان نزدیک استفاده کرده‌اند. این به تیم اجازه داد تا ویژگی های فضایی و طیفی SPP های در حال انتشار را تجسم کند. در واقع، تحقیقات آنها می تواند به دستگاه های پلاسمونیک کاربردی جدید و هیجان انگیز منجر شود.

بزرگتر همیشه بهتر نیست

در سال‌های اخیر، تحقیق در مورد دستگاه‌های فوتونیک و ادغام آنها در مدارها مورد توجه زیادی در صنعت و دانشگاه بوده است. این به این دلیل است که در مقایسه با دستگاه‌های کاملاً الکترونیکی، دستگاه‌های فوتونیکی می‌توانند بازده انرژی بالاتر و سرعت عملیاتی بالاتری داشته باشند.

با این حال، دو چالش بزرگ وجود دارد که باید قبل از اینکه فوتونیک در کاربردهای اصلی از الکترونیک پیشی بگیرد، غلبه کرد. یکی این است که اتصال دستگاه های فوتونیک به یکدیگر برای تشکیل مدارهای بزرگتر دشوار است. و دیگری این که اندازه دستگاه های فوتونیک را نمی توان کمتر از نیمی از طول موج نوری که آنها پردازش می کنند، ساخت. دومی اندازه دستگاه را به حدود 500 نانومتر محدود می کند که بسیار بزرگتر از ترانزیستورهای مدرن است.

هر دوی این مشکلات را می توان با ایجاد دستگاه هایی که به جای نور معمولی از SPP ها استفاده می کنند، حل کرد. این به این دلیل است که خواص نور مانند SPP ها امکان عملکرد بسیار سریع دستگاه را فراهم می کند، در حالی که خواص ماده مانند SPP ها امکان ادغام آسان تر در مدارها و عملکرد زیر حد پراش را فراهم می کند.

با این حال، به منظور طراحی نانو الکترونیک عملی، درک بهتری از رفتار طول موج فرعی SPPها مورد نیاز است. اکنون، کیونگ جویک دانشجوی دکترا در دانشگاه پنسیلوانیا و همکارانش SPPها را با استفاده از نانوطیف‌سنجی نوک افزایش یافته مورد مطالعه قرار داده‌اند. این تکنیک یک طیف سنج میدان دور را با یک میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) جفت می کند.

نوک AFM با روکش طلا نور را در میدان نزدیک پراکنده می کند که به SPP ها اجازه می دهد تا با استفاده از طیف سنج به صورت فضایی و طیفی تصویربرداری شوند. نمونه با پوشش دهی اسپینی محلولی از نانوپلاکت‌های شبه دوبعدی (فلکه‌های نانومتری ساطع کننده نور CdSe/Cd) ساخته شد._xZn_1-XS) روی یک زیرلایه طلا و سپس با استفاده از رسوب لایه اتمی یک دی الکتریک اکسید آلومینیوم را در بالا قرار دهید.

نانوپلاکت‌ها با استفاده از لیزر برانگیخته شدند و انتشار نور بعدی آن‌ها SPP‌هایی را به راه انداخت که در امتداد رابط اکسید طلا/آلومینیوم منتشر می‌شدند. محققان مشاهده کردند که SPP ها می توانند تا صدها میکرون منتشر شوند و همچنین می توانند توسط نوک طلا در مسیر اصلی خود منعکس شوند. در صورت انعکاس، SPPهای تابیده شده و منعکس شده با یکدیگر تداخل می کنند و موجی را بین نوک و نانوپلاکت تشکیل می دهند (شکل: "بازتاب شبه ذره" را ببینید). از نظر تجربی، اینها به صورت حاشیه های سهموی مشاهده شدند.

با افزایش فاصله بین نوک و نانوپلاکت، محققان دریافتند که شدت میدان الکتریکی به صورت دوره ای تغییر می کند. این امر حضور یک موج ایستاده را تایید کرد و نشان داد که چگونه نانوپلاکت و نوک به عنوان نوعی حفره عمل می کنند. با این حال، شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای نشان داد که اگرچه هر دو نوک و نانوپلاکت برای مشاهده حاشیه‌ها مورد نیاز هستند، میدان الکترومغناطیسی تولید شده توسط SPP‌ها تنها با یک مورد وجود دارد، که تأیید می‌کند که هر دو قادر به راه‌اندازی SPP هستند.

چگالش پولاریتون از یک حالت محدود در پیوستار بیرون می آید

محققان همچنین تأثیر خواص نمونه بر انتشار SPP را بررسی کردند. به عنوان مثال، آنها دریافتند که حاشیه‌ها تنها زمانی رخ می‌دهند که نانوپلاکت‌ها «لبه‌بالا» باشند (عمود بر صفحه زیرلایه)، و لیزر تحریک به‌طوری قطبی شده است که میدان مغناطیسی آن عمود بر صفحه تابش (TM قطبش) باشد. . در نتیجه پلاریزاسیون لیزر تحریک می تواند به عنوان یک "سوئیچ" برای روشن و خاموش کردن آسان SPP ها استفاده شود، که یک ویژگی مهم برای دستگاه های الکترونیکی نوری است. این تیم همچنین دریافت که شکل حاشیه‌ها می‌تواند برای تعیین جهت دوقطبی نانو ساطع‌کننده مورد استفاده قرار گیرد، با شکل سهمی‌ای که نشان‌دهنده یک شیب ملایم است (حاشیه‌های دایره‌ای زاویه دقیقاً ۹۰ درجه را نسبت به صفحه زیرلایه نشان می‌دهند). .

ضخامت همچنین نقش مهمی در ویژگی‌های SPP ایفا می‌کند، با نانوپلاکت‌های ضخیم‌تر که میدان‌های الکتریکی قوی‌تری تولید می‌کنند و دی‌الکتریک‌های ضخیم‌تر که منجر به فواصل انتشار SPP طولانی‌تر می‌شود. مطالعات با استفاده از مواد دی الکتریک مختلف (دی اکسید تیتانیوم؛ و تنگستن دیزلنید تک لایه) نشان داد که به دلیل افزایش محصور شدن میدان الکتریکی، گذردهی دی الکتریک بزرگتر نیز منجر به فواصل انتشار طولانی تر می شود. دانستن این امر مهم است، زیرا فاصله انتشار مستقیماً با انتقال انرژی توسط SPPها ارتباط دارد. جو خلاصه می‌کند که «ما جریان انرژی در مقیاس زیرموج را از طریق SPPها در مجاورت ساطع‌کننده‌های منفرد در مقیاس نانو پیدا، تجسم و مشخص می‌کنیم».

این تیم نشان داده است که نانوطیف‌سنجی پیشرفته‌شده با نوک ابزاری قدرتمند برای مطالعه میدان نزدیک در سیستم‌های SPP است که امکان تعیین ویژگی‌های مختلف مانند جهت‌گیری دوقطبی و مفاهیم طراحی نمونه را فراهم می‌کند. می‌گوید: «توانایی تصویربرداری و بررسی پدیده‌های فوتونی زیرموج در نیمه‌هادی‌های برانگیخته، [میکروسکوپ نوری روبشی میدان نزدیک] را به ابزاری ارزشمند برای مطالعات بنیادی و همچنین تعیین مشخصات نیمه‌رسانا تبدیل می‌کند». جاریوالا عمیق، که نویسنده متناظر در مقاله توصیف کننده کار است. چنین درک پیشرفته‌ای از سیستم‌های SPP در توسعه دستگاه‌های کاربردی نانو اپتوالکترونیک بسیار ارزشمند خواهد بود.

• محتوای مبتنی بر SEO و توزیع روابط عمومی. امروز تقویت شوید.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence دانش تقویت شده دسترسی به اینجا.
• ضرب کردن آینده با آدرین اشلی. دسترسی به اینجا.
• خرید و فروش سهام در شرکت های PRE-IPO با PREIPO®. دسترسی به اینجا.
• منبع: https://physicsworld.com/a/surface-plasmon-polaritons-launched-by-nano-emitters-are-imaged-in-the-near-field/