Nano-emitterien laukaisemat pintaplasmonipolaritonit kuvataan lähikentässä – Physics World

2D- ja kvasi-2D-materiaaleista valmistetut valonlähteet ovat tällä hetkellä erittäin kiinnostavia nano-optoelektroniikassa, koska niiden dielektrisen seulonnan puute tarkoittaa, että niiden elektronireikäparit (eksitonit) ovat uskomattoman herkkiä ympäristölleen. Tämä on edullista valmistettaessa laitteita, kuten erittäin herkkiä valoantureita ja sähkökemiallisia antureita.

Kun ne kerrostetaan suoraan metallin pinnalle metalli/dielektrisessä alustassa, näiden näennäisten 2D-materiaalien tai "nanoemitterien" lähettämä valo voi tuottaa pintaplasmonipolaritoneja (SPP). Nämä ovat valo-aineen kvasihiukkasia, jotka esiintyvät metallin ja dielektrisen rajapinnassa ja etenevät sitä pitkin aaltoina. SPP on sähkömagneettinen aalto (polaritoni) eristeessä, joka on kytketty sähkövarauksen värähtelyyn metallin pinnalla (pintaplasmoni). Seurauksena on, että SPP:illä on samanlaisia ​​ominaisuuksia kuin aineella ja valolla.

SPP:n sähkömagneettinen kenttä rajoittuu lähikenttään. Tämä tarkoittaa, että se on olemassa vain metallin ja dielektrisen rajapinnassa, ja sen intensiteetti heikkenee eksponentiaalisesti etäisyyden kasvaessa kuhunkin väliaineeseen. Tämä johtaa sähkökentän suureen parantumiseen, mikä tekee SPP:istä uskomattoman herkkiä ympäristölleen. Lisäksi lähikenttävaloa voidaan manipuloida aliaallonpituusasteikoilla.

Tähän asti SPP/nano-emitterijärjestelmiä on tutkittu laajasti optisessa kaukokentässä, mutta käytetyt kuvantamistekniikat ovat diffraktiorajoitettuja eikä tärkeitä osaaallonpituusmekanismeja voida visualisoida. Uudessa tutkimuksessa, joka on kuvattu vuonna Luonto Viestintä, yhdysvaltalaiset tutkijat ovat käyttäneet kärjellä tehostettua nanospektroskopiaa tutkiakseen SPP:itä nanosäteilijöissä lähikentällä. Tämän ansiosta ryhmä pystyi visualisoimaan leviävien SPP:iden spatiaalisia ja spektrisiä ominaisuuksia. Heidän tutkimuksensa voisi todellakin johtaa jännittäviin uusiin käytännöllisiin plasmonisiin laitteisiin.

Isompi ei ole aina parempi

Viime vuosina fotonilaitteiden tutkimus ja niiden liittäminen piireihin on ollut suurta mielenkiintoa teollisuudessa ja tiedemaailmassa. Tämä johtuu siitä, että puhtaasti elektronisiin laitteisiin verrattuna fotonilaitteet voivat saavuttaa korkeamman energiatehokkuuden ja nopeamman toimintanopeuden.

On kuitenkin kaksi suurta haastetta, jotka on voitettava ennen kuin fotoniikka ohittaa elektroniikan yleisissä sovelluksissa. Yksi on se, että puhtaasti fotonisia laitteita on vaikea liittää yhteen muodostamaan suurempia piirejä; ja toinen on, että fotonilaitteiden kokoa ei voida tehdä pienemmäksi kuin noin puolet niiden käsittelemän valon aallonpituudesta. Jälkimmäinen rajoittaa laitekoot noin 500 nm:iin, mikä on paljon suurempi kuin nykyaikaiset transistorit.

Molemmat ongelmat voidaan ratkaista luomalla laitteita, jotka toimivat SPP:illä tavanomaisen valon sijaan. Tämä johtuu siitä, että SPP:iden valomaiset ominaisuudet mahdollistavat erittäin nopean laitteen toiminnan, kun taas SPP:iden ainemaiset ominaisuudet mahdollistavat helpomman integroinnin piireihin ja toiminnan diffraktiorajan alapuolella.

Käytännön nanoelektroniikan suunnittelua varten tarvitaan kuitenkin parempi ymmärrys SPP:iden aliaallonpituuden käyttäytymisestä. Nyt, Kiyoung Jo, tohtoriopiskelija Pennsylvanian yliopistosta, ja kollegat ovat tutkineet SPP:itä käyttämällä kärjellä tehostettua nanospektroskopiaa. Tämä tekniikka yhdistää kaukokentän spektrometrin atomivoimamikroskoopilla (AFM).

Kultapäällysteinen AFM-kärki hajottaa valoa lähikentässä, mikä mahdollistaa SPP:iden avaruudellisen ja spektrisen kuvantamisen spektrometrillä. Näyte valmistettiin spin-pinnoittamalla kvasi-2D-nanoverihiutaleiden liuoksella (nanometrimittakaavaiset valosäteilijän CdSe/Cd-hiutaleet_xZn_X-1S) kultasubstraatille ja kerrostetaan sitten alumiinioksididielektrinen aine päälle käyttämällä atomikerrospinnoitusta.

Nanoverihiutaleet viritettiin laserilla, ja niiden myöhempi valoemissio laukaisi SPP:t, jotka etenivät kulta/alumiinioksidirajapintaa pitkin. Tutkijat havaitsivat, että SPP:t voivat levitä jopa satojen mikrometrien kokoon ja ne voivat myös heijastua kultakärjestä takaisin alkuperäistä polkuaan pitkin. Heijastumien tapauksessa osuvat ja heijastuneet SPP:t häiritsivät toisiaan muodostaen seisovan aallon kärjen ja nanoverihiutaleen väliin (katso kuva: "Kvaasipartikkeliheijastukset"). Kokeellisesti nämä havaittiin parabolisina hapsuina.

Kun kärjen ja nanoverihiutaleen välinen etäisyys kasvoi, tutkijat havaitsivat, että sähkökentän intensiteetti vaihteli ajoittain. Tämä vahvisti seisovan aallon olemassaolon ja osoitti, kuinka nanoverihiutale ja kärki toimivat eräänlaisena ontelona. Tietokonesimulaatiot osoittivat kuitenkin, että vaikka sekä kärki että nanoverihiutaleet vaaditaan hapsujen tarkkailemiseen, SPP:iden synnyttämä sähkömagneettinen kenttä on läsnä vain yhdellä, mikä vahvistaa, että molemmat pystyvät laukaisemaan SPP:itä.

Polaritonikondensaatio syntyy jatkumossa olevasta sidotusta tilasta

Tutkijat selvittivät myös näytteen ominaisuuksien vaikutusta SPP-päästöihin. He esimerkiksi havaitsivat, että hapsut tapahtuivat vain, kun nanohiutaleet olivat "reuna ylöspäin" (suorassa substraatin tasoon nähden) ja virityslaser oli polarisoitu siten, että sen magneettikenttä oli kohtisuorassa tulotasoon nähden (TM-polarisaatio). . Tämän seurauksena virityslaserin polarisaatiota voidaan käyttää "kytkimenä" SPP:iden kytkemiseksi helposti päälle ja pois, mikä on tärkeä ominaisuus optoelektronisissa laitteissa. Ryhmä havaitsi myös, että hapsujen muotoa voitiin käyttää nanoemitterin dipolisuunnan määrittämiseen, ja parabolinen muoto viittaa pieneen kaltevuuteen (pyöreät hapsut osoittaisivat tasan 90° kulman substraatin tasoon nähden). .

Paksuudella oli myös tärkeä rooli SPP:iden ominaisuuksissa, kun paksummat nanoverihiutaleet tuottavat vahvempia sähkökenttiä ja paksummat eristeet johtivat pidempiin SPP-etenemisetäisyyksiin. Eri dielektrisillä materiaaleilla (titaanidioksidi ja yksikerroksinen volframidiselenidi) tehdyt tutkimukset osoittivat, että lisääntyneen sähkökentän rajauksen vuoksi suurempi dielektrinen permittiivisyys johti myös pitempiin etenemisetäisyyksiin. Tämä on tärkeää tietää, koska etenemisetäisyys korreloi suoraan SPP:iden energiansiirtoon. Jo tiivistää, että "Löydämme, visualisoimme ja karakterisoimme aallonpituusmittakaavan energiavirran SPP:iden kautta yksittäisten nanomittakaavaisten emitterien läheisyydestä."

Ryhmä on osoittanut, että kärjellä tehostettu nanospektroskopia on tehokas työkalu lähikentän tutkimiseen SPP-järjestelmissä, mikä mahdollistaa eri ominaisuuksien, kuten dipoliorientaation ja näytteen suunnittelun vaikutukset, määrittämisen. "Kyky kuvata ja tutkia eksitonisten puolijohteiden aliaallonpituisia fotonisia ilmiöitä tekee [lähikenttäpyyhkäisyoptisesta mikroskopiasta] arvokkaan työkalun perustutkimuksiin sekä puolijohteiden karakterisointiin", sanoo Syvä Jariwala, joka on vastaava kirjoittaja teosta kuvaavalla paperilla. Tällainen SPP-järjestelmien parempi ymmärtäminen on korvaamatonta käytännön nanooptoelektronisten laitteiden kehittämisessä.

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• Tulevaisuuden lyöminen Adryenn Ashley. Pääsy tästä.
• Osta ja myy osakkeita PRE-IPO-yhtiöissä PREIPO®:lla. Pääsy tästä.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/surface-plasmon-polaritons-launched-by-nano-emitters-are-imaged-in-the-near-field/