I polaritoni plasmonici di superficie lanciati da nano-emettitori sono ripresi nel campo vicino - Physics World

Gli emettitori di luce realizzati con materiali 2D e quasi 2D sono attualmente di grande interesse nella nano-optoelettronica perché la loro mancanza di schermatura dielettrica significa che le loro coppie elettrone-lacuna (eccitoni) sono incredibilmente sensibili al loro ambiente. Ciò è vantaggioso per realizzare dispositivi come fotosensori altamente reattivi e sensori elettrochimici.

Quando viene depositata direttamente sulla superficie di un metallo in un substrato metallico/dielettrico, la luce emessa da questi materiali quasi 2D o "nano-emettitori" può generare polaritoni plasmonici di superficie (SPP). Queste sono quasiparticelle di materia leggera che esistono su un'interfaccia metallo/dielettrico e si propagano lungo di essa come un'onda. Un SPP è un'onda elettromagnetica (polaritone) nel dielettrico che è accoppiata a un'oscillazione di carica elettrica sulla superficie del metallo (plasmone di superficie). Di conseguenza, gli SPP hanno proprietà simili sia alla materia che alla luce.

Il campo elettromagnetico di un SPP è limitato al campo vicino. Ciò significa che esiste solo all'interfaccia metallo/dielettrico, con la sua intensità che decade esponenzialmente con l'aumentare della distanza in ciascun mezzo. Ciò si traduce in un grande miglioramento del campo elettrico, rendendo gli SPP incredibilmente sensibili al loro ambiente. Inoltre, la luce del campo vicino può essere manipolata su scale di lunghezza inferiore alla lunghezza d'onda.

Fino ad ora, i sistemi SPP/nano-emettitori sono stati ampiamente studiati nel campo ottico lontano, ma le tecniche di imaging utilizzate sono limitate dalla diffrazione e non è possibile visualizzare importanti meccanismi sub-lunghezza d'onda. In un nuovo studio descritto in Nature Communications, i ricercatori negli Stati Uniti hanno utilizzato la nanospettroscopia potenziata dalla punta per studiare gli SPP nei nanoemettitori nel campo vicino. Ciò ha consentito al team di visualizzare le proprietà spaziali e spettrali degli SPP in propagazione. In effetti, la loro ricerca potrebbe portare a nuovi entusiasmanti dispositivi plasmonici pratici.

Più grande non è sempre migliore

Negli ultimi anni, la ricerca sui dispositivi fotonici e la loro integrazione nei circuiti ha suscitato grande interesse nell'industria e nel mondo accademico. Questo perché rispetto ai dispositivi puramente elettronici, i dispositivi fotonici possono raggiungere efficienze energetiche più elevate e velocità operative più elevate.

Tuttavia, ci sono due grandi sfide che devono essere superate prima che la fotonica superi l'elettronica nelle applicazioni tradizionali. Uno è che i dispositivi puramente fotonici sono difficili da collegare insieme per formare circuiti più grandi; e l'altro è che la dimensione dei dispositivi fotonici non può essere inferiore a circa la metà della lunghezza d'onda della luce che elaborano. Quest'ultimo limita le dimensioni del dispositivo a circa 500 nm, che è molto più grande dei transistor moderni.

Entrambi questi problemi possono essere risolti creando dispositivi che funzionano utilizzando gli SPP, piuttosto che la luce convenzionale. Questo perché le proprietà simili alla luce degli SPP consentono un funzionamento estremamente rapido del dispositivo, mentre le proprietà simili alla materia degli SPP consentono una più facile integrazione nei circuiti e il funzionamento al di sotto del limite di diffrazione.

Tuttavia, per progettare la nanoelettronica pratica, è necessaria una migliore comprensione del comportamento sotto la lunghezza d'onda degli SPP. Ora, Kiyoung Jo, uno studente di dottorato presso l'Università della Pennsylvania, e colleghi hanno studiato gli SPP utilizzando la nanospettroscopia potenziata dalla punta. Questa tecnica accoppia uno spettrometro a campo lontano con un microscopio a forza atomica (AFM).

La punta AFM rivestita in oro diffonde la luce nel campo vicino, il che consente di acquisire immagini spaziali e spettrali degli SPP utilizzando lo spettrometro. Il campione è stato fabbricato mediante rivestimento a rotazione di una soluzione di nanopiastrine quasi 2D (scaglie su scala nanometrica dell'emettitore di luce CdSe/Cd_xZn_1-xS) su un substrato d'oro e quindi depositando sopra un dielettrico di ossido di alluminio utilizzando la deposizione di uno strato atomico.

Le nanopiastrine sono state eccitate utilizzando un laser e la loro successiva emissione di luce ha lanciato SPP che si sono propagati lungo l'interfaccia oro/ossido di alluminio. I ricercatori hanno osservato che gli SPP potrebbero propagarsi fino a centinaia di micron e potrebbero anche essere riflessi dalla punta d'oro lungo il loro percorso originale. In caso di riflessioni, gli SPP incidenti e riflessi interferivano l'uno con l'altro, formando un'onda stazionaria tra la punta e la nanopiastrina (vedi figura: "Riflessioni di quasiparticelle"). Sperimentalmente, questi sono stati osservati come frange di forma parabolica.

All'aumentare della distanza tra la punta e la nanopiastrina, i ricercatori hanno scoperto che l'intensità del campo elettrico variava periodicamente. Ciò ha confermato la presenza di un'onda stazionaria e ha dimostrato come la nanopiastrina e la punta agiscano come una sorta di cavità. Le simulazioni al computer hanno mostrato, tuttavia, che, sebbene sia la punta che la nanopiastrina siano necessarie per osservare le frange, il campo elettromagnetico generato dagli SPP è presente solo con una, confermando che entrambi sono in grado di lanciare SPP.

La condensazione del polaritone emerge da uno stato legato nel continuum

I ricercatori hanno anche studiato l'effetto delle proprietà del campione sull'emissione di SPP. Ad esempio, hanno scoperto che le frange si verificavano solo quando le nanopiastrine erano "edge-up" (perpendicolari al piano del substrato) e il laser di eccitazione era polarizzato in modo tale che il suo campo magnetico fosse perpendicolare al piano di incidenza (polarizzazione TM) . Di conseguenza, la polarizzazione del laser di eccitazione può essere utilizzata come "interruttore" per accendere e spegnere facilmente gli SPP, caratteristica importante per i dispositivi optoelettronici. Il team ha anche scoperto che la forma delle frange potrebbe essere utilizzata per determinare l'orientamento del dipolo del nano-emettitore, con la forma parabolica che suggerisce una leggera inclinazione (le frange circolari indicherebbero un angolo di esattamente 90° rispetto al piano del substrato) .

Anche lo spessore ha svolto un ruolo importante nelle proprietà degli SPP, con nanopiastrine più spesse che producono campi elettrici più forti e dielettrici più spessi che si traducono in distanze di propagazione SPP più lunghe. Gli studi che utilizzano diversi materiali dielettrici (biossido di titanio e diseleniuro di tungsteno monostrato) hanno indicato che, a causa dell'aumento del confinamento del campo elettrico, una maggiore permittività dielettrica ha comportato anche distanze di propagazione più lunghe. Questo è importante da sapere, poiché la distanza di propagazione è direttamente correlata al trasferimento di energia da parte degli SPP. Jo riassume che "Troviamo, visualizziamo e caratterizziamo il flusso di energia su scala inferiore alla lunghezza d'onda tramite SPP in prossimità di singoli emettitori su scala nanometrica".

Il team ha dimostrato che la nanospettroscopia potenziata dalla punta è un potente strumento per lo studio del campo vicino nei sistemi SPP, consentendo di determinare varie proprietà, come l'orientamento del dipolo e le implicazioni della progettazione del campione. "La capacità di visualizzare ed esaminare i fenomeni fotonici sub-lunghezza d'onda nei semiconduttori eccitonici rende [la microscopia ottica a scansione in campo vicino] uno strumento prezioso per gli studi fondamentali e per la caratterizzazione dei semiconduttori", afferma Jariwala profondo, autore corrispondente della carta che descrive l'opera. Tale migliore comprensione dei sistemi SPP sarà preziosa per lo sviluppo di pratici dispositivi nano-optoelettronici.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/surface-plasmon-polaritons-launched-by-nano-emitters-are-imaged-in-the-near-field/