Поверхневі плазмон-поляритони, що запускаються нано-випромінювачами, зображені в ближньому полі – Physics World

Випромінювачі світла, виготовлені з двовимірних і квазі-2вимірних матеріалів, зараз представляють великий інтерес для нанооптоелектроніки, оскільки відсутність у них діелектричного екранування означає, що їхні електронно-діркові пари (екситони) неймовірно чутливі до навколишнього середовища. Це вигідно для створення таких пристроїв, як високочутливі фотодатчики та електрохімічні датчики.

При нанесенні безпосередньо на поверхню металу в металевій/діелектричній підкладці світло, випромінюване цими квазі-2D матеріалами або «нано-випромінювачами», може генерувати поверхневі плазмон-поляритони (SPP). Це квазічастинки легкої матерії, які існують на межі розділу метал/діелектрик і поширюються вздовж неї як хвиля. SPP — це електромагнітна хвиля (поляритон) у діелектрику, яка пов’язана з коливанням електричного заряду на поверхні металу (поверхневий плазмон). Як наслідок, SPP мають властивості, подібні до матерії та світла.

Електромагнітне поле SPP обмежене ближнім полем. Це означає, що він існує лише на межі розділу метал/діелектрик, і його інтенсивність експоненціально спадає зі збільшенням відстані до кожного середовища. Це призводить до значного посилення електричного поля, що робить SPP неймовірно чутливими до навколишнього середовища. Більше того, світлом ближнього поля можна керувати на субхвильових шкалах довжини.

Дотепер системи SPP/нановипромінювачі широко вивчалися в оптичному дальньому полі, але використовувані методи зображення обмежені дифракцією, і важливі механізми субхвиль не можуть бути візуалізовані. У новому дослідженні, описаному в Природа зв'язку, дослідники зі США використали наноспектроскопію з наконечником для вивчення SPP у нановипромінювачах у ближньому полі. Це дозволило команді візуалізувати просторові та спектральні властивості SPP, що поширюються. Дійсно, їхні дослідження можуть призвести до нових захоплюючих практичних плазмонних пристроїв.

Більше не завжди краще

В останні роки дослідження фотонних пристроїв та їх інтеграція в схеми викликають великий інтерес у промисловості та наукових колах. Це пов’язано з тим, що порівняно з суто електронними пристроями фотонні пристрої можуть досягти вищої енергоефективності та більшої швидкості роботи.

Однак є дві великі проблеми, які необхідно подолати, перш ніж фотоніка випередить електроніку в основних додатках. Одна полягає в тому, що чисто фотонні пристрої важко з’єднати разом, щоб утворити більші схеми; а інший полягає в тому, що розмір фотонних пристроїв не може бути меншим, ніж приблизно половина довжини хвилі світла, яке вони обробляють. Останнє обмежує розміри пристроїв приблизно до 500 нм, що набагато більше, ніж у сучасних транзисторів.

Обидві ці проблеми можна вирішити шляхом створення пристроїв, які працюють з використанням SPP, а не звичайного світла. Це пов’язано з тим, що світлоподібні властивості SPP дозволяють надзвичайно швидко працювати пристроєм, тоді як речовини, подібні до властивостей SPP, дозволяють легше інтегрувати в схеми та працювати за межі дифракції.

Однак, щоб розробити практичну наноелектроніку, потрібне краще розуміння субхвильової поведінки SPP. тепер, Кійонг Джо, аспірант Університету Пенсільванії, та його колеги вивчали SPP за допомогою наноспектроскопії з наконечником. Ця техніка поєднує спектрометр далекого поля з атомно-силовим мікроскопом (АСМ).

Позолочений наконечник AFM розсіює світло в ближньому полі, що дозволяє просторово та спектрально відобразити SPP за допомогою спектрометра. Зразок був виготовлений шляхом спінювання розчину квазі-2D нанопластинок (пластівці нанометрового масштабу випромінювача світла CdSe/Cd_xZn_1-хS) на золоту підкладку, а потім осадження діелектрика з оксиду алюмінію зверху за допомогою осадження атомного шару.

Нанопластинки збуджувалися за допомогою лазера, а їх подальше світлове випромінювання запускало SPP, які поширювалися вздовж межі розділу золото/оксид алюмінію. Дослідники помітили, що SPP можуть поширюватися на відстані до сотень мікрон, а також можуть відбиватися золотим наконечником назад уздовж початкового шляху. У разі відбиття падаюча та відбита SPP взаємодіють одна з одною, утворюючи стоячу хвилю між кінчиком і нанопластинкою (див. малюнок: «Відбиття квазічастинок»). Експериментально вони спостерігалися як смуги параболічної форми.

У міру збільшення відстані між кінчиком і нанопластинкою дослідники виявили, що інтенсивність електричного поля періодично змінюється. Це підтвердило наявність стоячої хвилі та продемонструвало, як нанопластинка та кінчик діють як свого роду порожнина. Однак комп’ютерне моделювання показало, що, хоча для спостереження смуг потрібні як кінчик, так і нанопластинка, електромагнітне поле, створене SPP, присутнє лише в одному, підтверджуючи, що обидва здатні запускати SPP.

Поляритонна конденсація виходить із зв’язаного стану в континуумі

Дослідники також досліджували вплив властивостей зразка на випромінювання SPP. Наприклад, вони виявили, що смуги виникають лише тоді, коли нанопластинки розташовані «ребром вгору» (перпендикулярно площині підкладки), а збуджуючий лазер поляризовано так, що його магнітне поле було перпендикулярно площині падіння (поляризація ТМ). . В результаті поляризацію лазера збудження можна використовувати як «перемикач» для легкого вмикання та вимикання SPP, що є важливою особливістю для оптико-електронних пристроїв. Команда також виявила, що форму смуг можна використовувати для визначення дипольної орієнтації нано-випромінювача, причому параболічна форма свідчить про невеликий нахил (круглі смуги вказуватимуть кут рівно 90° до площини підкладки) .

Товщина також відігравала важливу роль у властивостях SPP: більш товсті нанопластинки створювали сильніші електричні поля, а товщі діелектрики призводили до більшої відстані поширення SPP. Дослідження з використанням різних діелектричних матеріалів (діоксид титану та моношаровий диселенід вольфраму) показали, що завдяки збільшеному обмеженню електричного поля більша діелектрична проникність також призвела до більших відстаней поширення. Це важливо знати, оскільки відстань розповсюдження прямо корелює з передачею енергії SPP. Джо резюмує: «Ми знаходимо, візуалізуємо та характеризуємо субхвильовий потік енергії через SPP поблизу окремих нанорозмірних випромінювачів».

Команда показала, що наноспектроскопія з наконечником є ​​потужним інструментом для вивчення ближнього поля в системах SPP, що дозволяє визначити різні властивості, такі як орієнтація диполя та наслідки дизайну зразка. «Можливість відображувати та досліджувати субхвильові фотонні явища в екситонних напівпровідниках робить [сканувальну оптичну мікроскопію ближнього поля] цінним інструментом для фундаментальних досліджень, а також визначення характеристик напівпровідників», — говорить Глибока Ярівала, який є автором-кореспондентом статті, що описує роботу. Таке розширене розуміння систем SPP буде неоціненним у розробці практичних нанооптоелектронних пристроїв.

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• Карбування майбутнього з Адріенн Ешлі. Доступ тут.
• Купуйте та продавайте акції компаній, які вийшли на IPO, за допомогою PREIPO®. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/surface-plasmon-polaritons-launched-by-nano-emitters-are-imaged-in-the-near-field/