Поверхностные плазмонные поляритоны, запускаемые наноизлучателями, отображаются в ближнем поле

Излучатели света, изготовленные из двумерных и квазидвумерных материалов, в настоящее время представляют большой интерес для нанооптоэлектроники, поскольку отсутствие у них диэлектрического экранирования означает, что их электронно-дырочные пары (экситоны) невероятно чувствительны к окружающей среде. Это выгодно для создания таких устройств, как высокочувствительные фотодатчики и электрохимические датчики.

При нанесении непосредственно на поверхность металла на металлической/диэлектрической подложке свет, излучаемый этими квазидвумерными материалами или «наноизлучателями», может генерировать поверхностные плазмонные поляритоны (ППП). Это квазичастицы легкого вещества, которые существуют на границе раздела металл/диэлектрик и распространяются вдоль нее в виде волны. ППП представляет собой электромагнитную волну (поляритон) в диэлектрике, связанную с колебаниями электрического заряда на поверхности металла (поверхностный плазмон). В результате СПП обладают свойствами, сходными как с материей, так и со светом.

Электромагнитное поле СПП ограничивается ближним полем. Это означает, что он существует только на границе раздела металл/диэлектрик, причем его интенсивность экспоненциально затухает с увеличением расстояния до каждой среды. Это приводит к значительному усилению электрического поля, что делает СЭС невероятно чувствительными к окружающей среде. Более того, светом ближнего поля можно управлять в субволновом масштабе.

До сих пор системы SPP/наноэмиттер широко изучались в оптическом дальнем поле, но используемые методы визуализации ограничены дифракцией, и важные субволновые механизмы не могут быть визуализированы. В новом исследовании, описанном в Природа связи, исследователи в США использовали наноспектроскопию с усиленным зондом для изучения SPP в наноизлучателях в ближнем поле. Это позволило команде визуализировать пространственные и спектральные свойства распространяющихся SPP. Действительно, их исследования могут привести к новым захватывающим практическим плазмонным устройствам.

Больше не всегда лучше

В последние годы исследования фотонных устройств и их интеграции в схемы вызвали большой интерес в промышленности и научных кругах. Это связано с тем, что по сравнению с чисто электронными устройствами фотонные устройства могут обеспечить более высокую энергоэффективность и более высокую скорость работы.

Однако есть две большие проблемы, которые необходимо решить, прежде чем фотоника превзойдет электронику в основных приложениях. Во-первых, чисто фотонные устройства трудно соединить вместе, чтобы сформировать более крупные схемы; во-вторых, размер фотонных устройств не может быть меньше половины длины волны света, который они обрабатывают. Последнее ограничивает размеры устройств примерно до 500 нм, что намного больше, чем у современных транзисторов.

Обе эти проблемы можно решить, создав устройства, работающие с использованием СЭС, а не обычного света. Это связано с тем, что светоподобные свойства SPP обеспечивают чрезвычайно быструю работу устройства, тогда как материальные свойства SPP обеспечивают более простую интеграцию в схемы и работу ниже дифракционного предела.

Однако для разработки практической наноэлектроники необходимо лучшее понимание субволнового поведения SPP. Сейчас, Киён Джо, аспирант Пенсильванского университета и его коллеги изучали SPP с помощью наноспектроскопии с усилением наконечника. Этот метод объединяет спектрометр дальнего поля с атомно-силовым микроскопом (АСМ).

Наконечник АСМ с золотым покрытием рассеивает свет в ближней зоне, что позволяет получать пространственные и спектральные изображения ППП с помощью спектрометра. Образец был изготовлен путем центрифугирования раствора квазидвумерных нанопластинок (нанометровых чешуек светоизлучателя CdSe/Cd_xZn_1-хS) на золотую подложку, а затем сверху наносят диэлектрик из оксида алюминия с помощью атомно-слоевого осаждения.

Нанопластинки возбуждались с помощью лазера, и их последующее излучение света запускало ППП, которые распространялись вдоль границы раздела золото/оксид алюминия. Исследователи заметили, что SPP могут распространяться на сотни микрон, а также могут отражаться золотым наконечником обратно по их первоначальному пути. В случае отражений падающая и отраженная ППП интерферировали друг с другом, образуя стоячую волну между иглой и нанопластиной (см. рисунок: «Квазичастичные отражения»). Экспериментально они наблюдались как полосы параболической формы.

По мере увеличения расстояния между наконечником и нанопластиной исследователи обнаружили, что напряженность электрического поля периодически менялась. Это подтвердило наличие стоячей волны и продемонстрировало, как нанопластинка и кончик действуют как своего рода полость. Однако компьютерное моделирование показало, что, хотя для наблюдения полос необходимы и наконечник, и нанопластинка, электромагнитное поле, генерируемое SPP, присутствует только у одного из них, что подтверждает, что оба способны запускать SPP.

Поляритонная конденсация возникает из связанного состояния в континууме

Исследователи также исследовали влияние свойств образца на излучение SPP. Например, они обнаружили, что полосы возникают только в том случае, когда нанопластинки были направлены «краем вверх» (перпендикулярно плоскости подложки), а возбуждающий лазер был поляризован так, что его магнитное поле было перпендикулярно плоскости падения (TM-поляризация). . В результате поляризация возбуждающего лазера может использоваться как «переключатель» для простого включения и выключения СПП, что является важной особенностью оптоэлектронных устройств. Группа также обнаружила, что форму полос можно использовать для определения дипольной ориентации наноизлучателя, при этом параболическая форма предполагает небольшой наклон (круглые полосы указывают на угол ровно 90° к плоскости подложки). .

Толщина также играла важную роль в свойствах SPP: более толстые нанопластинки создавали более сильные электрические поля, а более толстые диэлектрики приводили к увеличению расстояний распространения SPP. Исследования с использованием различных диэлектрических материалов (диоксид титана и монослойный диселенид вольфрама) показали, что из-за повышенного ограничения электрического поля большая диэлектрическая проницаемость также приводит к увеличению расстояний распространения. Это важно знать, поскольку расстояние распространения напрямую связано с передачей энергии SPP. Джо резюмирует: «Мы находим, визуализируем и описываем субволновой поток энергии через SPP вблизи отдельных наноизлучателей».

Команда показала, что наноспектроскопия с усилением наконечника является мощным инструментом для изучения ближнего поля в системах SPP, позволяя определять различные свойства, такие как ориентация диполя и последствия дизайна образца. «Возможность отображать и исследовать субволновые фотонные явления в экситонных полупроводниках делает [сканирующую оптическую микроскопию ближнего поля] ценным инструментом для фундаментальных исследований, а также для характеристики полупроводников», — говорит Глубокая Джаривала, который является соответствующим автором на бумаге, описывающей работу. Такое расширенное понимание систем SPP будет иметь неоценимое значение для разработки практических нано-оптоэлектронных устройств.

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• ПлатонАйСтрим. Анализ данных Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• Чеканка будущего с Эдриенн Эшли. Доступ здесь.
• Покупайте и продавайте акции компаний PREIPO® с помощью PREIPO®. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/surface-plasmon-polaritons-launched-by-nano-emitters-are-imaged-in-the-near-field/