Overflateplasmonpolaritoner lansert av nano-emittere er avbildet i nærfeltet – Physics World

Lysemittere laget av 2D- og kvasi-2D-materialer er for tiden av stor interesse for nano-optoelektronikk fordi deres mangel på dielektrisk skjerming betyr at deres elektron-hull-par (eksitoner) er utrolig følsomme for miljøet. Dette er fordelaktig for å lage enheter som svært responsive fotosensorer og elektrokjemiske sensorer.

Når det avsettes direkte på overflaten av et metall i et metall/dielektrisk substrat, kan lyset som sendes ut av disse kvasi-2D-materialene eller "nano-emitterne" generere overflateplasmonpolaritoner (SPPs). Dette er kvasipartikler av lett materie som eksisterer ved et metall/dielektrisk grensesnitt og forplanter seg langs det som en bølge. En SPP er en elektromagnetisk bølge (polariton) i dielektrikumet som er koblet til en oscillasjon av elektrisk ladning på overflaten av metallet (overflateplasmon). Som et resultat har SPP-er egenskaper som ligner både materie og lys.

Det elektromagnetiske feltet til en SPP er begrenset til nærfeltet. Dette betyr at den eksisterer bare ved metall/dielektrisk grensesnitt, med intensiteten avtar eksponentielt med økende avstand inn i hvert medium. Dette resulterer i en stor forbedring av det elektriske feltet, noe som gjør SPP-er utrolig følsomme for miljøet. Dessuten kan nærfeltslys manipuleres på skalaer med underbølgelengde.

Til nå har SPP/nano-emitter-systemer blitt studert mye i det optiske fjernfeltet, men avbildningsteknikkene som brukes er diffraksjonsbegrensede og viktige subbølgelengdemekanismer kan ikke visualiseres. I en ny studie beskrevet i Nature Communications, har forskere i USA brukt spissforsterket nanospektroskopi for å studere SPP-er i nano-emittere i nærfeltet. Dette tillot teamet å visualisere romlige og spektrale egenskaper til de forplantende SPP-ene. Faktisk kan forskningen deres føre til spennende nye praktiske plasmoniske enheter.

Større er ikke alltid bedre

De siste årene har forskning på fotoniske enheter og deres integrering i kretser vært av stor interesse i industri og akademia. Dette er fordi sammenlignet med rent elektroniske enheter, kan fotoniske enheter oppnå høyere energieffektivitet og raskere driftshastigheter.

Imidlertid er det to store utfordringer som må overvinnes før fotonikk innhenter elektronikk i vanlige applikasjoner. Den ene er at rent fotoniske enheter er vanskelige å koble sammen for å danne større kretser; og den andre er at størrelsen på fotoniske enheter ikke kan gjøres mindre enn omtrent halvparten av bølgelengden til lyset de behandler. Sistnevnte begrenser enhetsstørrelser til omtrent 500 nm, som er mye større enn moderne transistorer.

Begge disse problemene kan løses ved å lage enheter som opererer ved hjelp av SPP-er, i stedet for konvensjonelt lys. Dette er fordi de lyslignende egenskapene til SPP-er tillater ekstremt rask enhetsdrift, mens de materielignende egenskapene til SPP-er tillater enklere integrering i kretser og drift under diffraksjonsgrensen.

For å designe praktisk nanoelektronikk er det imidlertid nødvendig med en bedre forståelse av sub-bølgelengdeoppførselen til SPP-er. Nå, Kiyoung Jo, en doktorgradsstudent ved University of Pennsylvania, og kolleger har studert SPPs ved å bruke spissforbedret nanospektroskopi. Denne teknikken kobler et fjernfeltspektrometer med et atomkraftmikroskop (AFM).

Den gullbelagte AFM-spissen sprer lys i nærfeltet, noe som gjør at SPP-ene kan avbildes romlig og spektralt ved hjelp av spektrometeret. Prøven ble fremstilt ved å spinne-belegge en løsning av kvasi-2D nanoplater (flak i nanometerskala av lysemitteren CdSe/Cd_xZn_1-xS) på et gullsubstrat og deretter avsette et dielektrisk aluminiumoksid på toppen ved bruk av atomlagsavsetning.

Nanoblodplatene ble begeistret ved hjelp av en laser og deres påfølgende lysutslipp lanserte SPP-er som forplantet seg langs gull/aluminiumoksid-grensesnittet. Forskerne observerte at SPP-ene kunne forplante seg opp til hundrevis av mikron og også kunne reflekteres av gullspissen tilbake langs deres opprinnelige bane. Ved refleksjoner interfererte hendelsen og reflekterte SPP-er med hverandre og dannet en stående bølge mellom spissen og nanoplateplaten (se figur: "Kvasipartikkelrefleksjoner"). Eksperimentelt ble disse observert som parabolformede frynser.

Etter hvert som avstanden mellom spissen og nanoplate ble økt, fant forskerne at intensiteten av det elektriske feltet varierte med jevne mellomrom. Dette bekreftet tilstedeværelsen av en stående bølge og demonstrerte hvordan nanoplateplaten og spissen fungerer som et slags hulrom. Datasimuleringer viste imidlertid at selv om både spiss og nanoplate er nødvendig for å observere frynser, er det elektromagnetiske feltet generert av SPP-ene kun tilstede med én, noe som bekrefter at begge er i stand til å lansere SPP-er.

Polariton-kondensering kommer fra en bundet tilstand i kontinuumet

Forskerne undersøkte også effekten av prøveegenskapene på SPP-utslippet. For eksempel fant de ut at frynser bare oppsto når nanoblodplatene var "kanten opp" (vinkelrett på substratets plan), og eksitasjonslaseren var polarisert slik at dens magnetiske felt var vinkelrett på innfallsplanet (TM-polarisering) . Som et resultat kan polarisasjonen til eksitasjonslaseren brukes som en "bryter" for enkelt å slå SPP-ene på og av, noe som er en viktig funksjon for opto-elektroniske enheter. Teamet fant også at formen på frynsene kunne brukes til å bestemme dipolorienteringen til nano-emitteren, med den parabolske formen som antyder en liten helning (sirkulære frynser vil indikere en vinkel på nøyaktig 90° til underlagets plan) .

Tykkelse spilte også en viktig rolle i egenskapene til SPP-ene, med tykkere nanoplateletter som ga sterkere elektriske felt, og tykkere dielektrikum som resulterte i lengre SPP-utbredelsesavstander. Studier som brukte forskjellige dielektriske materialer (titaniumdioksid; og monolag wolframdiselenid) indikerte at på grunn av økt elektrisk feltbegrensning, resulterte en større dielektrisk permittivitet også i lengre forplantningsavstander. Dette er viktig å vite, ettersom forplantningsavstanden direkte korrelerer med energioverføring fra SPP-ene. Jo oppsummerer at "Vi finner, visualiserer og karakteriserer energistrømmen i sub-bølgelengdeskala via SPP-er i nærheten av individuelle nanoskala-emittere."

Teamet har vist at spissforbedret nanospektroskopi er et kraftig verktøy for studiet av nærfeltet i SPP-systemer, slik at ulike egenskaper, som dipolorientering og implikasjoner av prøvedesign, kan bestemmes. "Evnen til å avbilde og undersøke sub-bølgelengde fotoniske fenomener i eksitoniske halvledere gjør [nærfelt skanningsoptisk mikroskopi] til et verdifullt verktøy for grunnleggende studier så vel som halvlederkarakterisering," sier Dyp Jariwala, som er korresponderende forfatter på papiret som beskriver verket. En slik forbedret forståelse av SPP-systemer vil være uvurderlig i utviklingen av praktiske nano-optoelektroniske enheter.

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• Minting the Future med Adryenn Ashley. Tilgang her.
• Kjøp og selg aksjer i PRE-IPO-selskaper med PREIPO®. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/surface-plasmon-polaritons-launched-by-nano-emitters-are-imaged-in-the-near-field/