A nano-kibocsátók által kibocsátott felszíni plazmon polaritonok a közeli mezőben láthatók – Fizika világ

A 2D és kvázi 2D anyagokból készült fénykibocsátók jelenleg nagy érdeklődésre tartanak számot a nano-optoelektronikában, mert dielektromos árnyékolásuk hiánya miatt elektronlyuk párjaik (excitonjaik) hihetetlenül érzékenyek a környezetükre. Ez előnyös olyan eszközök készítésekor, mint a nagy érzékenységű fotoszenzorok és elektrokémiai érzékelők.

Ha közvetlenül fém/dielektromos szubsztrátban lévő fém felületére helyezik fel, az ezeknek a kvázi-2D anyagoknak vagy „nanokibocsátóknak” kibocsátott fénye felszíni plazmon polaritonokat (SPP-ket) hozhat létre. Ezek könnyű anyag kvázirészecskék, amelyek egy fém/dielektrikum határfelületen léteznek, és hullámként terjednek ezen. Az SPP egy elektromágneses hullám (polariton) a dielektrikumban, amely a fém felületén elektromos töltés rezgéséhez kapcsolódik (felületi plazmon). Ennek eredményeként az SPP-k tulajdonságai hasonlóak az anyaghoz és a fényhez.

Az SPP elektromágneses tere a közeli mezőre korlátozódik. Ez azt jelenti, hogy csak a fém/dielektromos határfelületen létezik, és intenzitása exponenciálisan csökken az egyes közegek közötti távolság növekedésével. Ez az elektromos mező nagymértékű fokozását eredményezi, így az SPP-k hihetetlenül érzékenyek a környezetükre. Sőt, a közeli fényt a hullámhossz alatti skálákon is lehet manipulálni.

Eddig az SPP/nano-emitter rendszereket alaposan tanulmányozták az optikai távoli térben, de az alkalmazott képalkotási technikák diffrakciókorlátozottak, és a fontos részhullámhossz-mechanizmusokat nem lehet megjeleníteni. című új tanulmányban Nature Communications, az amerikai kutatók hegyekkel továbbfejlesztett nanospektroszkópiát alkalmaztak a nano-kibocsátókban lévő SPP-k tanulmányozására a közeli területen. Ez lehetővé tette a csapat számára a terjedő SPP-k térbeli és spektrális tulajdonságainak megjelenítését. Valójában kutatásaik izgalmas, új gyakorlati plazmonikus eszközökhöz vezethetnek.

A nagyobb nem mindig jobb

Az elmúlt években a fotonikus eszközökkel és azok áramkörökbe való integrálásával kapcsolatos kutatások nagy érdeklődést váltottak ki az iparban és a tudományos életben. Ennek az az oka, hogy a tisztán elektronikus eszközökhöz képest a fotonikus eszközök nagyobb energiahatékonyságot és gyorsabb működési sebességet érhetnek el.

Azonban van két nagy kihívás, amelyet le kell küzdeni, mielőtt a fotonika megelőzi az elektronikát a főbb alkalmazásokban. Az egyik az, hogy a tisztán fotonikus eszközöket nehéz összekapcsolni nagyobb áramkörök kialakítására; a másik pedig az, hogy a fotonikus eszközök mérete nem lehet kisebb, mint az általuk feldolgozott fény hullámhosszának körülbelül a fele. Ez utóbbi körülbelül 500 nm-re korlátozza az eszközök méretét, ami sokkal nagyobb, mint a modern tranzisztorok.

Mindkét probléma megoldható olyan eszközök létrehozásával, amelyek hagyományos fény helyett SPP-vel működnek. Ennek az az oka, hogy az SPP-k fényszerű tulajdonságai rendkívül gyors eszközműködést tesznek lehetővé, míg az SPP-k anyagszerű tulajdonságai lehetővé teszik az áramkörökbe való könnyebb integrálást és a diffrakciós határ alatti működést.

A gyakorlati nanoelektronika megtervezéséhez azonban jobban meg kell érteni az SPP-k hullámhossz alatti viselkedését. Most, Kiyoung Jo, a Pennsylvaniai Egyetem PhD-hallgatója és munkatársai SPP-ket tanulmányoztak hegyekkel továbbfejlesztett nanospektroszkópia segítségével. Ez a technika egy távoli spektrométert kapcsol össze egy atomerőmikroszkóppal (AFM).

Az arany bevonatú AFM csúcs szórja a fényt a közeli mezőben, ami lehetővé teszi az SPP-k térbeli és spektrális leképezését a spektrométer segítségével. A mintát kvázi 2D nanolemezkék (a CdSe/Cd fénykibocsátó nanométeres pelyhek) oldatának centrifugálásával állították elő._xZn_1-xS) arany szubsztrátumra, majd alumínium-oxid dielektrikum felvitele a tetejére atomi réteges leválasztással.

A nanolemezkéket lézerrel gerjesztették, majd fénykibocsátásuk SPP-ket indított el, amelyek az arany/alumínium-oxid határfelület mentén terjedtek. A kutatók megfigyelték, hogy az SPP-k akár több száz mikronnyi terjedelműen is terjedhetnek, és az aranycsúcs visszatükrözheti eredeti útjukat. Reflexiók esetén a beeső és a visszavert SPP-k interferálnak egymással, állóhullámot képezve a csúcs és a nanolemezke között (lásd az ábrát: „Kvazirészecske-visszaverődés”). Kísérletileg ezeket parabola alakú rojtokként figyelték meg.

Ahogy a csúcs és a nanolemezke közötti távolság nőtt, a kutatók azt találták, hogy az elektromos tér intenzitása periodikusan változott. Ez megerősítette az állóhullám jelenlétét, és bemutatta, hogy a nanolemezke és a csúcs egyfajta üregként működik. A számítógépes szimulációk azonban azt mutatták, hogy bár mind a csúcs, mind a nanolemezke szükséges a peremek megfigyeléséhez, az SPP-k által generált elektromágneses mező csak az egyiknél van jelen, ami megerősíti, hogy mindkettő képes SPP-ket indítani.

A polariton kondenzáció a kontinuum kötött állapotából jön létre

A kutatók azt is vizsgálták, hogy a minta tulajdonságai milyen hatással vannak az SPP emisszióra. Például azt találták, hogy a peremek csak akkor fordulnak elő, ha a nanolemezkék „éllel felfelé” voltak (merőlegesek a szubsztrát síkjára), és a gerjesztőlézert úgy polarizálták, hogy a mágneses tere merőleges legyen a beesési síkra (TM polarizáció). . Ennek eredményeként a gerjesztőlézer polarizációja „kapcsolóként” használható az SPP-k egyszerű be- és kikapcsolásához, ami az opto-elektronikai eszközök fontos jellemzője. A csapat azt is megállapította, hogy a peremek alakja felhasználható a nano-kibocsátó dipólus orientációjának meghatározására, a parabola alak enyhe lejtőre utal (a kör alakú rojtok pontosan 90°-os szöget jeleznek a hordozó síkjával). .

A vastagság is fontos szerepet játszott az SPP-k tulajdonságaiban, a vastagabb nanolemezkék erősebb elektromos mezőt, a vastagabb dielektrikumok pedig hosszabb SPP terjedési távolságot eredményeztek. Különböző dielektromos anyagokkal (titán-dioxid és egyrétegű wolfram-diszelenid) végzett vizsgálatok azt mutatták, hogy a megnövekedett elektromos térelzárás miatt a nagyobb dielektromos permittivitás hosszabb terjedési távolságokat is eredményezett. Ezt fontos tudni, mivel a terjedési távolság közvetlenül korrelál az SPP-k energiaátadásával. Jo összegzése szerint „Megtaláljuk, megjelenítjük és jellemezzük a hullámhossz alatti energiaáramlást az SPP-ken keresztül az egyes nanoméretű emitterek közelében.”

A csapat kimutatta, hogy a hegyekkel továbbfejlesztett nanospektroszkópia hatékony eszköz az SPP-rendszerek közeli tereinek tanulmányozására, lehetővé téve különböző tulajdonságok, például a dipólus orientációjának és a minta tervezésének következményeinek meghatározását. "Az excitonos félvezetőkben a hullámhossz alatti fotonikus jelenségek leképezésének és vizsgálatának képessége a [közeli mező pásztázó optikai mikroszkópiát] értékes eszközzé teszi az alapvető vizsgálatokhoz, valamint a félvezetők jellemzéséhez" Mély Jariwala, aki a művet leíró papír levelező szerzője. Az SPP-rendszerek ilyen jobb megértése felbecsülhetetlen értékű lesz a gyakorlati nano-optoelektronikai eszközök fejlesztésében.

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• PlatoAiStream. Web3 adatintelligencia. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• A jövő pénzverése – Adryenn Ashley. Hozzáférés itt.
• Részvények vásárlása és eladása PRE-IPO társaságokban a PREIPO® segítségével. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://physicsworld.com/a/surface-plasmon-polaritons-launched-by-nano-emitters-are-imaged-in-the-near-field/