ナノエミッターによって発射される表面プラズモンポラリトンを近接場で画像化 – Physics World

2D および準 2D 材料で作られた発光体は、誘電体遮蔽がないため電子正孔対 (励起子) が環境の影響を非常に受けやすいことを意味するため、現在ナノオプトエレクトロニクスにおいて大きな関心を集めています。 これは、応答性の高い光センサーや電気化学センサーなどのデバイスを作成するのに有利です。

金属/誘電体基板の金属表面に直接蒸着すると、これらの準 2D 材料または「ナノエミッター」によって放出される光は、表面プラズモン ポラリトン (SPP) を生成する可能性があります。 これらは、金属/誘電体の界面に存在し、それに沿って波として伝播する光物質の準粒子です。 SPP は、金属表面の電荷の振動 (表面プラズモン) と結合した誘電体内の電磁波 (ポラリトン) です。 その結果、SPP は物質と光の両方に似た性質を持ちます。

SPP の電磁場は近接場に限定されます。 これは、金属/誘電体界面にのみ存在し、各媒体への距離が増加するにつれて強度が指数関数的に減衰することを意味します。 これにより、電界が大幅に強化され、SPP が環境に対して非常に敏感になります。 さらに、近接場光はサブ波長スケールで操作できます。

これまで、SPP/ナノエミッターシステムは光学遠視野で広く研究されてきましたが、使用されるイメージング技術は回折限界であり、重要なサブ波長メカニズムを視覚化することができません。 で説明されている新しい研究では、 ネイチャー·コミュニケーションズ、米国の研究者らは、チップ増強ナノ分光法を使用して、近距離場でナノエミッター内の SPP を研究しました。 これにより、チームは伝播する SPP の空間特性とスペクトル特性を視覚化できるようになりました。 実際、彼らの研究は、刺激的な新しい実用的なプラズモニック デバイスにつながる可能性があります。

大きいほど良いとは限りません

近年、フォトニックデバイスとその回路への統合に関する研究が産業界や学術界で大きな関心を集めています。 これは、純粋な電子デバイスと比較して、フォトニックデバイスはより高いエネルギー効率とより速い動作速度を達成できるためです。

しかし、主流のアプリケーションにおいてフォトニクスがエレクトロニクスを追い越す前に、克服しなければならない大きな課題が 500 つあります。 XNUMX つは、純粋なフォトニック デバイスを接続して大規模な回路を形成するのが難しいことです。 もうXNUMXつは、フォトニックデバイスのサイズを、処理する光の波長の約半分よりも小さくすることができないことです。 後者はデバイスのサイズを約 XNUMX nm に制限しますが、これは現代のトランジスタよりもはるかに大きいです。

これらの問題はどちらも、従来の光ではなく SPP を使用して動作するデバイスを作成することで解決できます。 これは、SPP の光のような特性により非常に高速なデバイス動作が可能になるのに対し、SPP の物質のような特性により回路への組み込みが容易になり、回折限界以下での動作が可能になるためです。

ただし、実用的なナノエレクトロニクスを設計するには、SPP のサブ波長の動作をより深く理解する必要があります。 今、 ジョ・キヨンペンシルベニア大学の博士課程の学生である彼らは、チップ増強ナノ分光法を使用して SPP を研究しました。 この技術では、遠視野分光計と原子間力顕微鏡 (AFM) を組み合わせます。

金でコーティングされた AFM チップは近接場で光を散乱するため、分光計を使用して SPP を空間的およびスペクトル的にイメージングできます。 サンプルは、準 2D ナノプレートレット (発光体 CdSe/Cd のナノメートルスケールのフレーク) の溶液をスピンコーティングすることによって作製されました。_xZn_1-XS) 金基板上に形成し、原子層堆積を使用してその上に酸化アルミニウム誘電体を堆積します。

ナノプレートレットはレーザーを使用して励起され、その後の発光によってSPPが起動され、金/酸化アルミニウム界面に沿って伝播しました。 研究者らは、SPP が最大数百ミクロンまで伝播する可能性があり、また、金の先端によって元の経路に沿って反射される可能性があることを観察しました。 反射の場合、入射 SPP と反射 SPP が互いに干渉し、チップとナノプレートレットの間に定在波が形成されます (図:「準粒子反射」を参照)。 実験的には、これらは放物線状の縞として観察されました。

先端とナノプレートレットの間の距離が増加するにつれて、研究者らは電場の強度が周期的に変化することを発見した。 これにより、定在波の存在が確認され、ナノプレートレットとチップが一種の空洞としてどのように機能するかが実証されました。 しかし、コンピューターシミュレーションでは、縞を観察するにはチップとナノプレートレットの両方が必要であるにもかかわらず、SPPによって生成される電磁場は一方のみに存在し、両方がSPPを起動できることが確認されたことが示されました。

ポラリトン凝縮は、連続体の束縛状態から出現します

研究者らは、サンプルの特性が SPP 発光に及ぼす影響も調査しました。 たとえば、ナノプレートレットが「エッジアップ」（基板面に垂直）で、励起レーザーの磁場が入射面に垂直になるように偏光（TM偏光）した場合にのみ縞が発生することが判明した。 。 その結果、励起レーザーの偏光を「スイッチ」として使用して、SPP を簡単にオン/オフにすることができます。これは、光電子デバイスにとって重要な機能です。 研究チームはまた、縞の形状をナノエミッタの双極子配向を決定するために使用できることも発見した。放物線状の形状はわずかな傾斜を示唆している(円形の縞は基板面に対して正確に90°の角度を示している)。 。

厚さも SPP の特性において重要な役割を果たし、ナノプレートレットが厚いとより強い電場が生じ、誘電体が厚いと SPP の伝播距離が長くなります。 さまざまな誘電体材料（二酸化チタン、単層二セレン化タングステン）を使用した研究では、電界閉じ込めの増加により、誘電体の誘電率が大きくなると伝播距離も長くなることが示されました。 伝播距離は SPP によるエネルギー伝達に直接相関するため、これを知っておくことが重要です。 Jo 氏は、「個々のナノスケール エミッター付近の SPP を介したサブ波長スケールのエネルギー流を発見し、視覚化し、特徴づけています。」と要約しています。

研究チームは、チップ増強ナノ分光法がSPPシステムの近接場の研究に強力なツールであり、双極子の配向やサンプル設計の影響などのさまざまな特性を決定できることを示した。 「励起子半導体におけるサブ波長のフォトニック現象を画像化して検査できるため、[近接場走査型光学顕微鏡]は基礎研究や半導体の特性評価にとって貴重なツールになります。」と彼は言います。 ディープ・ジャリワラ、その作品を説明する論文の責任著者です。 SPP システムについてのこのような理解の強化は、実用的なナノオプトエレクトロニクス デバイスの開発において非常に貴重になります。

• SEO を活用したコンテンツと PR 配信。 今日増幅されます。
• プラトアイストリーム。 Web3 データ インテリジェンス。 知識増幅。 こちらからアクセスしてください。
• 未来を鋳造する w エイドリエン・アシュリー。 こちらからアクセスしてください。
• PREIPO® を使用して PRE-IPO 企業の株式を売買します。 こちらからアクセスしてください。
• 情報源： https://physicsworld.com/a/surface-plasmon-polaritons-launched-by-nano-emitters-are-imaged-in-the-near-field/