Polariton plasmon permukaan yang diluncurkan oleh pemancar nano dicitrakan di bidang dekat – Dunia Fisika

Pemancar cahaya yang terbuat dari bahan 2D dan kuasi-2D saat ini sangat diminati dalam nano-optoelektronik karena kurangnya penyaringan dielektrik berarti pasangan lubang elektron (exciton) mereka sangat sensitif terhadap lingkungannya. Ini menguntungkan untuk membuat perangkat seperti sensor foto yang sangat responsif dan sensor elektrokimia.

Ketika disimpan langsung ke permukaan logam dalam substrat logam / dielektrik, cahaya yang dipancarkan oleh bahan kuasi-2D atau "pemancar nano" ini dapat menghasilkan polariton plasmon permukaan (SPP). Ini adalah quasipartikel materi ringan yang ada pada antarmuka logam/dielektrik dan merambat sepanjang itu sebagai gelombang. SPP adalah gelombang elektromagnetik (polariton) dalam dielektrik yang digabungkan dengan osilasi muatan listrik pada permukaan logam (surface plasmon). Akibatnya, SPP memiliki sifat yang mirip dengan materi dan cahaya.

Medan elektromagnetik dari SPP terbatas pada medan dekat. Ini berarti bahwa itu hanya ada pada antarmuka logam/dielektrik, dengan intensitasnya menurun secara eksponensial dengan bertambahnya jarak ke setiap media. Hal ini menghasilkan peningkatan medan listrik yang besar, membuat SPP sangat sensitif terhadap lingkungannya. Terlebih lagi, cahaya medan dekat dapat dimanipulasi pada skala panjang sub-panjang gelombang.

Sampai saat ini, sistem SPP/nano-emitor telah dipelajari secara ekstensif dalam medan jauh optik, tetapi teknik pencitraan yang digunakan terbatas pada difraksi dan mekanisme sub-panjang gelombang yang penting tidak dapat divisualisasikan. Dalam sebuah studi baru yang dijelaskan dalam Alam Komunikasi, para peneliti di AS telah menggunakan nanospektroskopi tip-enhanced untuk mempelajari SPP di nano-emitor di lapangan dekat. Ini memungkinkan tim untuk memvisualisasikan properti spasial dan spektral dari SPP yang menyebar. Memang, penelitian mereka dapat menghasilkan perangkat plasmonik praktis baru yang menarik.

Lebih besar tidak selalu lebih baik

Dalam beberapa tahun terakhir, penelitian perangkat fotonik dan integrasinya ke dalam sirkuit telah menjadi minat besar di industri dan akademisi. Ini karena dibandingkan dengan perangkat elektronik murni, perangkat fotonik dapat mencapai efisiensi energi yang lebih tinggi dan kecepatan pengoperasian yang lebih cepat.

Namun, ada dua tantangan besar yang harus diatasi sebelum fotonik mengambil alih elektronik dalam aplikasi arus utama. Salah satunya adalah perangkat fotonik murni sulit untuk dihubungkan bersama untuk membentuk sirkuit yang lebih besar; dan yang lainnya adalah ukuran perangkat fotonik tidak dapat dibuat lebih kecil dari sekitar setengah panjang gelombang cahaya yang diprosesnya. Yang terakhir membatasi ukuran perangkat hingga sekitar 500 nm, yang jauh lebih besar daripada transistor modern.

Kedua masalah ini dapat diatasi dengan membuat perangkat yang beroperasi menggunakan SPP, bukan lampu konvensional. Ini karena sifat seperti cahaya dari SPP memungkinkan pengoperasian perangkat yang sangat cepat, sedangkan sifat seperti materi dari SPP memungkinkan integrasi yang lebih mudah ke dalam sirkuit dan operasi di bawah batas difraksi.

Namun, untuk merancang nano-elektronik praktis, diperlukan pemahaman yang lebih baik tentang perilaku sub-panjang gelombang SPP. Sekarang, Kiyoung Jo, seorang mahasiswa PhD di University of Pennsylvania, dan rekannya telah mempelajari SPP menggunakan nanospektroskopi tip-ditingkatkan. Teknik ini memasangkan spektrometer medan jauh dengan mikroskop kekuatan atom (AFM).

Ujung AFM berlapis emas menyebarkan cahaya di medan dekat, yang memungkinkan SPP untuk dicitrakan secara spasial dan spektral menggunakan spektrometer. Sampel dibuat dengan melapisi larutan nanoplatelet kuasi-2D (serpihan skala nanometer dari pemancar cahaya CdSe / Cd_xZn_1-xS) ke substrat emas dan kemudian mendepositkan dielektrik aluminium oksida di atasnya menggunakan pengendapan lapisan atom.

Nanoplatelet bersemangat menggunakan laser dan emisi cahaya berikutnya meluncurkan SPP yang disebarkan di sepanjang antarmuka emas / aluminium oksida. Para peneliti mengamati bahwa SPP dapat menyebar hingga ratusan mikron dan juga dapat dipantulkan oleh ujung emas kembali ke jalur aslinya. Dalam kasus pantulan, insiden dan SPP yang dipantulkan saling mengganggu, membentuk gelombang berdiri antara ujung dan nanoplatelet (lihat gambar: “Refleksi kuasipartikel”). Secara eksperimental, ini diamati sebagai pinggiran berbentuk parabola.

Ketika jarak antara ujung dan nanoplatelet bertambah, para peneliti menemukan bahwa intensitas medan listrik bervariasi secara berkala. Ini menegaskan adanya gelombang berdiri dan menunjukkan bagaimana nanoplatelet dan tip bertindak sebagai semacam rongga. Namun, simulasi komputer menunjukkan bahwa, meskipun ujung dan nanoplatelet diperlukan untuk mengamati pinggiran, medan elektromagnetik yang dihasilkan oleh SPP hanya ada satu, yang mengonfirmasi bahwa keduanya dapat meluncurkan SPP.

Kondensasi polariton muncul dari keadaan terikat dalam kontinum

Para peneliti juga menyelidiki pengaruh sifat sampel terhadap emisi SPP. Sebagai contoh, mereka menemukan bahwa pinggiran hanya terjadi ketika nanoplatelet "tegak lurus" (tegak lurus dengan bidang substrat), dan laser eksitasi terpolarisasi sedemikian rupa sehingga medan magnetnya tegak lurus terhadap bidang kejadian (polarisasi TM) . Akibatnya polarisasi laser eksitasi dapat digunakan sebagai "sakelar" untuk menghidupkan dan mematikan SPP dengan mudah, yang merupakan fitur penting untuk perangkat opto-elektronik. Tim juga menemukan bahwa bentuk pinggiran dapat digunakan untuk menentukan orientasi dipol emitor nano, dengan bentuk parabola menunjukkan sedikit kemiringan (pinggiran melingkar akan menunjukkan sudut tepat 90° terhadap bidang substrat) .

Ketebalan juga memainkan peran penting dalam sifat SPP, dengan nanoplatelet yang lebih tebal menghasilkan medan listrik yang lebih kuat, dan dielektrik yang lebih tebal menghasilkan jarak propagasi SPP yang lebih jauh. Studi menggunakan bahan dielektrik yang berbeda (titanium dioksida; dan monolayer tungsten diselenide) menunjukkan bahwa, karena peningkatan pengurungan medan listrik, permitivitas dielektrik yang lebih besar juga menghasilkan jarak propagasi yang lebih jauh. Hal ini penting untuk diketahui, karena jarak propagasi berkorelasi langsung dengan transfer energi oleh SPP. Jo merangkum bahwa "Kami menemukan, memvisualisasikan, dan mengkarakterisasi aliran energi berskala sub-panjang gelombang melalui SPP di sekitar pemancar skala nano individu."

Tim telah menunjukkan bahwa nanospektroskopi tip-enhanced adalah alat yang ampuh untuk mempelajari medan dekat dalam sistem SPP, memungkinkan berbagai sifat, seperti orientasi dipol dan implikasi desain sampel, untuk ditentukan. “Kemampuan untuk mencitrakan dan memeriksa fenomena fotonik sub-panjang gelombang dalam semikonduktor eksitonik menjadikan [mikroskop optik pemindaian jarak dekat] alat yang berharga untuk studi fundamental serta karakterisasi semikonduktor,” kata Jauh Jariwala, siapa penulis korespondensi di atas kertas yang menjelaskan karya tersebut. Pemahaman yang ditingkatkan tentang sistem SPP akan sangat berharga dalam pengembangan perangkat nano-optoelektronik praktis.

• Konten Bertenaga SEO & Distribusi PR. Dapatkan Amplifikasi Hari Ini.
• PlatoAiStream. Kecerdasan Data Web3. Pengetahuan Diperkuat. Akses Di Sini.
• Mencetak Masa Depan bersama Adryenn Ashley. Akses Di Sini.
• Beli dan Jual Saham di Perusahaan PRE-IPO dengan PREIPO®. Akses Di Sini.
• Sumber: https://physicsworld.com/a/surface-plasmon-polaritons-launched-by-nano-emitters-are-imaged-in-the-near-field/