Površinski plazmonski polaritoni, ki jih sprožijo nanoemiterji, so posneti v bližnjem polju – Physics World

Svetlobni oddajniki iz 2D in kvazi-2D materialov so trenutno zelo zanimivi za nano-optoelektroniko, saj pomanjkanje dielektričnega zaslona pomeni, da so njihovi pari elektron-luknja (ekscitoni) izjemno občutljivi na okolje. To je ugodno za izdelavo naprav, kot so visoko odzivni fotosenzorji in elektrokemični senzorji.

Pri nanosu neposredno na površino kovine v kovinskem/dielektričnem substratu lahko svetloba, ki jo oddajajo ti kvazi-2D materiali ali »nanoemiterji«, ustvari površinske plazmonske polaritone (SPP). To so kvazidelci svetlobe in snovi, ki obstajajo na meji kovina/dielektrik in se po njej širijo kot val. SPP je elektromagnetno valovanje (polariton) v dielektriku, ki je povezano z nihanjem električnega naboja na površini kovine (površinski plazmon). Posledično imajo SPP lastnosti, ki so podobne materiji in svetlobi.

Elektromagnetno polje SPP je omejeno na bližnje polje. To pomeni, da obstaja le na meji kovina/dielektrik, pri čemer njegova intenzivnost eksponentno upada z naraščajočo razdaljo v vsak medij. Posledica tega je velika okrepitev električnega polja, zaradi česar so SPP izjemno občutljivi na svoje okolje. Še več, s svetlobo bližnjega polja je mogoče manipulirati na lestvicah dolžin pod valovno dolžino.

Do sedaj so bili SPP/nanoemiterski sistemi obsežno preučevani v optičnem daljnem polju, vendar so uporabljene tehnike slikanja omejene z uklonom in pomembnih mehanizmov pod valovno dolžino ni mogoče vizualizirati. V novi študiji, opisani v Nature Communications, so raziskovalci v ZDA uporabili nanospektroskopijo s konico za preučevanje SPP v nanoemiterjih v bližnjem polju. To je ekipi omogočilo vizualizacijo prostorskih in spektralnih lastnosti razmnoževalnih SPP. Dejansko bi lahko njihove raziskave vodile do vznemirljivih novih praktičnih plazmoničnih naprav.

Večji ni vedno boljši

V zadnjih letih so bile raziskave fotonskih naprav in njihove integracije v vezja zelo zanimive v industriji in akademskih krogih. To je zato, ker lahko fotonske naprave v primerjavi s čisto elektronskimi napravami dosežejo večjo energijsko učinkovitost in hitrejše delovanje.

Vendar pa obstajata dva velika izziva, ki ju je treba premagati, preden fotonika prehiti elektroniko v običajnih aplikacijah. Eno je, da je povsem fotonske naprave težko povezati skupaj v večja vezja; drugi pa je, da velikosti fotonskih naprav ni mogoče narediti manjše od približno polovice valovne dolžine svetlobe, ki jo obdelujejo. Slednji omejuje velikosti naprav na približno 500 nm, kar je veliko več kot sodobni tranzistorji.

Oba problema je mogoče rešiti z ustvarjanjem naprav, ki delujejo z uporabo SPP, namesto običajne svetlobe. To je zato, ker lastnosti SPP, podobne svetlobi, omogočajo izjemno hitro delovanje naprave, medtem ko lastnosti SPP, podobne snovi, omogočajo lažjo integracijo v vezja in delovanje pod mejo uklona.

Vendar pa je za oblikovanje praktične nanoelektronike potrebno boljše razumevanje obnašanja SPP pod valovno dolžino. zdaj, Kiyoung Jo, doktorski študent na Univerzi v Pennsylvaniji, in njegovi kolegi so preučevali SPP z uporabo nanospektroskopije, izboljšane s konico. Ta tehnika združuje spektrometer daljnega polja z mikroskopom na atomsko silo (AFM).

Pozlačena konica AFM razprši svetlobo v bližnjem polju, kar omogoča prostorsko in spektralno slikanje SPP s spektrometrom. Vzorec je bil izdelan z centrifugiranjem raztopine kvazi-2D nanoplošč (nanometrskih kosmičev svetlobnega sevalca CdSe/Cd_xZn_1-xS) na zlato podlago in nato nanjo nanese dielektrik iz aluminijevega oksida z nanašanjem atomske plasti.

Nanotrombociti so bili vzbujeni z uporabo laserja in njihova kasnejša svetlobna emisija je sprožila SPP, ki so se širili vzdolž vmesnika zlato/aluminijev oksid. Raziskovalci so ugotovili, da se SPP lahko širijo do več sto mikronov in da jih zlata konica lahko odbije nazaj po prvotni poti. V primeru odbojev so vpadni in odbiti SPP interferirali drug z drugim in tvorili stoječe valovanje med konico in nanoploščo (glejte sliko: »Odboji kvazidelcev«). Eksperimentalno so jih opazili kot resice parabolične oblike.

Ko se je razdalja med konico in nanoploščo povečala, so raziskovalci ugotovili, da se intenzivnost električnega polja periodično spreminja. To je potrdilo prisotnost stoječega vala in pokazalo, kako nanoploščica in konica delujeta kot nekakšna votlina. Računalniške simulacije pa so pokazale, da je elektromagnetno polje, ki ga ustvarjajo SPP, prisotno samo pri enem, čeprav sta tako konica kot nanoploščica potrebna za opazovanje robov, kar potrjuje, da sta oba sposobna sprožiti SPP.

Polaritonska kondenzacija nastane iz vezanega stanja v kontinuumu

Raziskovalci so raziskali tudi učinek lastnosti vzorca na emisijo SPP. Na primer, ugotovili so, da se obrobe pojavljajo le, ko so nanoploščice "z robom navzgor" (pravokotno na ravnino substrata) in je bil vzbujevalni laser polariziran tako, da je bilo njegovo magnetno polje pravokotno na vpadno ravnino (TM polarizacija) . Posledično se lahko polarizacija vzbujalnega laserja uporablja kot "stikalo" za enostavno vklop in izklop SPP-jev, kar je pomembna značilnost za opto-elektronske naprave. Skupina je tudi ugotovila, da bi lahko obliko robov uporabili za določitev dipolne orientacije nano-emiterja, pri čemer parabolična oblika nakazuje rahel naklon (krožne robove bi označevale kot natančno 90° glede na ravnino substrata) .

Debelina je prav tako igrala pomembno vlogo pri lastnostih SPP, pri čemer so debelejše nanoploščice povzročile močnejša električna polja, debelejši dielektriki pa so povzročili daljše razdalje širjenja SPP. Študije z uporabo različnih dielektričnih materialov (titanov dioksid in enoslojni volframov diselenid) so pokazale, da je zaradi povečane omejitve električnega polja večja dielektrična prepustnost povzročila tudi daljše razdalje širjenja. To je pomembno vedeti, saj je razdalja širjenja neposredno povezana s prenosom energije s SPP. Jo povzema, da "najdemo, vizualiziramo in karakteriziramo pretok energije pod valovno dolžino prek SPP v bližini posameznih nanometrskih sevalcev."

Ekipa je pokazala, da je nanospektroskopija z izboljšano konico močno orodje za preučevanje bližnjega polja v sistemih SPP, ki omogoča določitev različnih lastnosti, kot je orientacija dipola in posledice zasnove vzorca. »Zmožnost slikanja in preučevanja fotonskih pojavov pod valovno dolžino v ekscitoničnih polprevodnikih naredi [skenirno optično mikroskopijo bližnjega polja] dragoceno orodje za temeljne študije in karakterizacijo polprevodnikov,« pravi. Globoko Jariwala, ki je dopisni avtor prispevka, ki opisuje delo. Tako izboljšano razumevanje sistemov SPP bo neprecenljivo pri razvoju praktičnih nano-optoelektronskih naprav.

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• PlatoAiStream. Podatkovna inteligenca Web3. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• Kovanje prihodnosti z Adryenn Ashley. Dostopite tukaj.
• Kupujte in prodajajte delnice podjetij pred IPO s PREIPO®. Dostopite tukaj.
• vir: https://physicsworld.com/a/surface-plasmon-polaritons-launched-by-nano-emitters-are-imaged-in-the-near-field/