Polaritonii de plasmoni de suprafață lansati de nano-emițători sunt fotografiați în câmpul apropiat – Physics World

Emițătorii de lumină fabricați din materiale 2D și cvasi-2D sunt în prezent de mare interes în nano-optoelectronică, deoarece lipsa lor de ecranare dielectrică înseamnă că perechile lor electron-gaură (excitoni) sunt incredibil de sensibile la mediul lor. Acest lucru este avantajos pentru realizarea de dispozitive, cum ar fi fotosenzorii cu sensibilitate ridicată și senzorii electrochimici.

Când este depusă direct pe suprafața unui metal într-un substrat metal/dielectric, lumina emisă de aceste materiale cvasi-2D sau „nano-emițători” poate genera polaritoni de plasmoni de suprafață (SPP). Acestea sunt cvasiparticule de materie ușoară care există la o interfață metal/dielectric și se propagă de-a lungul ei ca undă. Un SPP este o undă electromagnetică (polariton) în dielectric care este cuplată cu o oscilație a sarcinii electrice pe suprafața metalului (plasmonul de suprafață). Ca rezultat, SPP-urile au proprietăți care sunt similare atât cu materia, cât și cu lumina.

Câmpul electromagnetic al unui SPP este limitat la câmpul apropiat. Aceasta înseamnă că există doar la interfața metal/dielectric, cu intensitatea sa decadând exponențial odată cu creșterea distanței în fiecare mediu. Acest lucru are ca rezultat o îmbunătățire mare a câmpului electric, făcând SPP-urile incredibil de sensibile la mediul lor. În plus, lumina câmpului apropiat poate fi manipulată la scări sub-lungimi de undă.

Până în prezent, sistemele SPP/nano-emițătoare au fost studiate pe larg în câmpul optic îndepărtat, dar tehnicile de imagistică utilizate sunt limitate de difracție și nu pot fi vizualizate mecanisme importante sub-lungimi de undă. Într-un nou studiu descris în Natura Comunicaţii, cercetătorii din SUA au folosit nanospectrozopia îmbunătățită cu vârf pentru a studia SPP-urile în nano-emițători în câmpul apropiat. Acest lucru a permis echipei să vizualizeze proprietățile spațiale și spectrale ale SPP-urilor care se propagă. Într-adevăr, cercetările lor ar putea duce la noi dispozitive plasmonice practice interesante.

Mai mare nu este întotdeauna mai bun

În ultimii ani, cercetarea dispozitivelor fotonice și integrarea lor în circuite a fost de mare interes în industrie și mediul academic. Acest lucru se datorează faptului că, în comparație cu dispozitivele pur electronice, dispozitivele fotonice pot obține eficiențe energetice mai mari și viteze de operare mai mari.

Cu toate acestea, există două provocări mari care trebuie depășite înainte ca fotonica să depășească electronica în aplicațiile mainstream. Una este că dispozitivele pur fotonice sunt greu de conectat împreună pentru a forma circuite mai mari; iar celălalt este că dimensiunea dispozitivelor fotonice nu poate fi făcută mai mică de aproximativ jumătate din lungimea de undă a luminii pe care o procesează. Acesta din urmă limitează dimensiunile dispozitivului la aproximativ 500 nm, ceea ce este mult mai mare decât tranzistoarele moderne.

Ambele probleme pot fi rezolvate prin crearea de dispozitive care funcționează folosind SPP-uri, mai degrabă decât lumina convențională. Acest lucru se datorează faptului că proprietățile asemănătoare luminii ale SPP-urilor permit funcționarea extrem de rapidă a dispozitivului, în timp ce proprietățile asemănătoare materiei ale SPP-urilor permit integrarea mai ușoară în circuite și funcționarea sub limita de difracție.

Cu toate acestea, pentru a proiecta nano-electronice practice, este necesară o mai bună înțelegere a comportamentului sublungimii de undă a SPP-urilor. Acum, Kiyoung Jo, un doctorand la Universitatea din Pennsylvania, și colegii săi au studiat SPP-urile folosind nanospectroscopie îmbunătățită cu vârf. Această tehnică cuplează un spectrometru cu câmp îndepărtat cu un microscop cu forță atomică (AFM).

Vârful AFM acoperit cu aur împrăștie lumina în câmpul apropiat, ceea ce permite SPP-urilor să fie imagini spațial și spectral folosind spectrometrul. Eșantionul a fost fabricat prin acoperirea prin spin a unei soluții de nanoplachete cvasi-2D (fulgi la scară nanometrică ai emițătorului de lumină CdSe/Cd_xZn_1-xS) pe un substrat de aur și apoi depunerea unui dielectric de oxid de aluminiu deasupra utilizând depunerea stratului atomic.

Nanotrombocitele au fost excitate folosind un laser, iar emisia lor ulterioară de lumină a lansat SPP-uri care s-au propagat de-a lungul interfeței aur/oxid de aluminiu. Cercetătorii au observat că SPP-urile s-ar putea propaga până la sute de microni și ar putea fi, de asemenea, reflectate de vârful de aur înapoi pe traseul lor original. În cazul reflexiilor, SPP-urile incidente și reflectate au interferat unul cu celălalt, formând o undă staționară între vârf și nanoplachet (vezi figura: „Reflexii cvasiparticule”). Experimental, acestea au fost observate ca franjuri în formă de parabolic.

Pe măsură ce distanța dintre vârf și nanoplachetă a crescut, cercetătorii au descoperit că intensitatea câmpului electric a variat periodic. Acest lucru a confirmat prezența unei unde staționare și a demonstrat modul în care nanoplachetele și vârful acționează ca un fel de cavitate. Simulările pe computer au arătat, totuși, că, deși atât vârful, cât și nanoplachetele sunt necesare pentru a observa franjuri, câmpul electromagnetic generat de SPP-uri este prezent doar cu unul, confirmând că ambele sunt capabile să lanseze SPP-uri.

Condensarea polaritonului iese dintr-o stare legată în continuum

Cercetătorii au investigat, de asemenea, efectul proprietăților eșantionului asupra emisiei SPP. De exemplu, ei au descoperit că franjurile au apărut doar atunci când nanotrombocitele erau „cu marginea în sus” (perpendiculară pe planul substratului), iar laserul de excitație a fost polarizat astfel încât câmpul său magnetic să fie perpendicular pe planul de incidență (polarizare TM) . Ca rezultat, polarizarea laserului de excitație poate fi folosită ca un „comutator” pentru a porni și opri cu ușurință SPP-urile, ceea ce este o caracteristică importantă pentru dispozitivele opto-electronice. Echipa a descoperit, de asemenea, că forma franjurilor ar putea fi folosită pentru a determina orientarea dipolului nano-emițătorului, forma parabolică sugerând o ușoară înclinare (franjurile circulare ar indica un unghi de exact 90° față de planul substratului) .

Grosimea a jucat, de asemenea, un rol important în proprietățile SPP, cu nanoplachete mai groase producând câmpuri electrice mai puternice, iar dielectrici mai groși ducând la distanțe mai mari de propagare a SPP. Studiile care utilizează diferite materiale dielectrice (dioxid de titan și diseleniură de tungsten monostrat) au indicat că, datorită confinării crescute a câmpului electric, o permitivitate dielectrică mai mare a dus, de asemenea, la distanțe mai mari de propagare. Acest lucru este important de știut, deoarece distanța de propagare se corelează direct cu transferul de energie de către SPP. Jo rezumă că „Găsim, vizualizăm și caracterizăm fluxul de energie la scară sub-lungimi de undă prin intermediul SPP-urilor în vecinătatea emițătorilor individuali la scară nanometrică”.

Echipa a arătat că nanospectroscopia îmbunătățită cu vârful este un instrument puternic pentru studiul câmpului apropiat în sistemele SPP, permițând determinarea diferitelor proprietăți, cum ar fi orientarea dipolului și implicațiile proiectării probei. „Abilitatea de a imagini și de a examina fenomene fotonice sub-lungimi de undă în semiconductori excitonici face din [microscopia optică cu scanare în câmp apropiat] un instrument valoros pentru studii fundamentale, precum și pentru caracterizarea semiconductorilor”, spune Jariwala adâncă, care este autorul corespondent al lucrării care descrie lucrarea. O astfel de înțelegere îmbunătățită a sistemelor SPP va fi de neprețuit în dezvoltarea dispozitivelor practice nano-optoelectronice.

• Distribuție de conținut bazat pe SEO și PR. Amplifică-te astăzi.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Cunoștințe amplificate. Accesați Aici.
• Mintând viitorul cu Adryenn Ashley. Accesați Aici.
• Cumpărați și vindeți acțiuni în companii PRE-IPO cu PREIPO®. Accesați Aici.
• Sursa: https://physicsworld.com/a/surface-plasmon-polaritons-launched-by-nano-emitters-are-imaged-in-the-near-field/