Nanofotonika - Nanophotonics

Část série článků o
Nanoelektronika
Jednomolekulární elektronika
Polovodičová nanoelektronika
Související přístupy
  • Aplikace Nuvola kalzium.svg Vědecký portál
  • Aplikace Nuvola ksim.png Elektronický portál
  • Telecom-icon.svg Technologický portál

Nanofotonika nebo nanooptika je studium chování světlo na nanometr měřítku a interakce objektů v měřítku nanometrů se světlem. Je to pobočka optika, optické inženýrství, elektrotechnika, a nanotechnologie. Často (ale ne výlučně) zahrnuje kovové komponenty, které mohou přenášet a zaostřovat světlo prostřednictvím povrchové plasmonové polaritony.

Termín „nanooptika“, stejně jako termín „optika“, obvykle označuje situace, které se ho týkají ultrafialový, viditelné, a blízko infračerveného světlo (vlnové délky volného prostoru od 300 do 1200 nanometrů).

Pozadí

Normální optické součásti, jako jsou čočky a mikroskopy, obvykle nemohou normálně zaostřit světlo na nanometr (hluboký subvlnová délka ) váhy, kvůli difrakční limit (Rayleighovo kritérium ). Přesto je možné vytlačit světlo do měřítka nanometrů pomocí jiných technik, jako je například povrchové plazmony, lokalizované povrchové plazmony kolem kovových předmětů v nanoměřítku a otvory v nanoměřítku a ostré špičky v nanoměřítku používané v optická mikroskopie skenující blízké pole (SNOM nebo NSOM)[1][2][3] a fotoasistence skenovací tunelovací mikroskopie.[4]

Motivace

Výzkumníci v oblasti nanofotoniky sledují velmi širokou škálu cílů v oblastech od biochemie po elektrotechniku. Některé z těchto cílů jsou shrnuty níže.

Optoelektronika a mikroelektronika

Pokud lze světlo stlačit na malý objem, může být absorbováno a detekováno malým detektorem. Malý fotodetektory mívají různé žádoucí vlastnosti včetně nízké hlučnosti, vysoké rychlosti a nízkého napětí a výkonu.[5][6][7]

Malý lasery mít různé žádoucí vlastnosti pro optická komunikace včetně nízkého prahového proudu (který pomáhá energetické účinnosti) a rychlé modulace[8] (což znamená více přenosu dat). Vyžadují velmi malé lasery subvlnová délka optické dutiny. Příkladem je spasery, povrchový plazmon verze laserů.

Integrované obvody se vyrábějí pomocí fotolitografie, tj. vystavení světlu. Aby bylo možné vytvořit velmi malé tranzistory, je třeba světlo zaostřit na extrémně ostrý obraz. Pomocí různých technik, jako je ponorná litografie a fázový posun fotomasky, bylo skutečně možné vytvořit obrázky mnohem jemnější než vlnová délka - například kreslení 30 nm čar pomocí světla 193 nm.[9] Pro tuto aplikaci byly rovněž navrženy plasmonické techniky.[10]

Tepelně podporovaný magnetický záznam je nanofotonický přístup ke zvýšení množství dat, které může magnetická disková jednotka uložit. Vyžaduje laser, který před zápisem dat zahřeje malou magnetickou oblast s malou vlnovou délkou. Magnetická zapisovací hlava by měla kovové optické komponenty, které by koncentrovaly světlo na správné místo.

Miniaturizace v optoelektronika, například miniaturizace tranzistorů v integrované obvody, zlepšila jejich rychlost a náklady. Nicméně, optoelektronický obvody lze miniaturizovat, pouze pokud jsou optické součásti zmenšeny společně s elektronickými součástmi. To je relevantní pro on-chip optická komunikace (tj. předávání informací z jedné části mikročipu do druhé zasíláním světla optickými vlnovody místo změny napětí na vodiči).[6][11]

Solární články

Solární články často fungují nejlépe, když je světlo absorbováno velmi blízko k povrchu, a to jednak proto, že elektrony v blízkosti povrchu mají větší šanci na sbírání, jednak proto, že zařízení lze vyrobit tenčí, což snižuje náklady. Vědci zkoumali různé nanofotonické techniky k zesílení světla na optimálních místech v solárním článku.[12]

Spektroskopie

Použití nanofotoniky k vytvoření vysokých špičkových intenzit: Pokud je dané množství světelné energie stlačeno do menšího a menšího objemu („horké místo“), intenzita v horkém místě se zvětšuje a zvětšuje. To je zvláště užitečné v nelineární optika; příkladem je povrchově vylepšený Ramanův rozptyl. Umožňuje také citlivé spektroskopie měření i jednotlivých molekul lokalizovaných v hot-spotu, na rozdíl od tradičních metod spektroskopie, které berou průměrně přes miliony nebo miliardy molekul.[13][14]

Mikroskopie

Jedním z cílů nanofotoniky je konstrukce tzv.superlens ", který by použil metamateriály (viz níže) nebo jiné techniky k vytváření obrazů, které jsou přesnější než difrakční limit (hluboký subvlnová délka ).

Skenovací optický mikroskop blízkého pole (NSOM nebo SNOM) je zcela odlišná nanofotonická technika, která dosahuje stejného cíle pořizovat snímky s rozlišením mnohem menším než je vlnová délka. Zahrnuje rastrové skenování velmi ostré špičky nebo velmi malé clony přes zobrazovaný povrch.[1]

Mikroskopie blízkého pole obecně odkazuje na jakoukoli techniku ​​používající blízké pole (viz níže) k dosažení rozlišení v subvlnové délce v nanoměřítku. Například, duální polarizační interferometrie má rozlišení pikometru ve vertikální rovině nad povrchem vlnovodu.[Citace je zapotřebí ]

Zásady

Plazmony a kovová optika

Hlavní články: Plasmon a Povrchový plazmon

Kovy jsou účinným způsobem, jak omezit světlo hluboko pod vlnovou délku. To bylo původně používáno v rádiu a mikrovlnná technika, kde kov antény a vlnovody může být stokrát menší než vlnová délka volného prostoru. Z podobného důvodu může být viditelné světlo omezeno na nanoměřítko prostřednictvím kovových struktur o velikosti nano, jako jsou struktury o velikosti nano, špičky, mezery atd. Mnoho návrhů nanooptiky vypadá jako běžné mikrovlnné nebo rádiové vlnové obvody, ale zmenšilo se o faktor 100 000 a více. Koneckonců, rádiové vlny, mikrovlny a viditelné světlo jsou všechno elektromagnetické záření; liší se pouze frekvencí. Jinak řečeno, mikrovlnný obvod zmenšený o faktor 100 000 se bude chovat stejně, ale na 100 000krát vyšší frekvenci.[15] Tento efekt je poněkud analogický s hromosvodem, kde se pole koncentruje na špičce. Je to v zásadě založeno na skutečnosti, že permitivita kovu je velmi velký a negativní. Při velmi vysokých frekvencích (blízko a nad) frekvence plazmy, obvykle ultrafialové), permitivita kovu není tak velká a kov přestává být užitečný pro soustředění polí.

Skenovací elektronová mikroskopie (SEM) obraz pětičlenné antény Yagi-Uda skládající se z napájecího prvku, jednoho reflektoru a tří ředitelů, vyrobených e-paprsková litografie.[16]

Vědci například vyrobili nanooptické dipóly a Antény Yagi – Uda následuje v podstatě stejný design, jaký se používá pro rádiové antény.[17][18]

Kovová paralelní deska vlnovody (striplines), soustředěná konstanta obvod prvky jako indukčnost a kapacita (na viditelné světlo frekvencí, jejichž hodnoty jsou v pořadí femtohenries a attofarad) a impedanční shoda dipól antény na přenosové linky, všechny známé techniky na mikrovlnná trouba frekvence, jsou některé současné oblasti vývoje nanofotoniky. To znamená, že mezi nanooptikou a zmenšenými mikrovlnnými obvody existuje řada velmi důležitých rozdílů. Například na optické frekvenci se kovy chovají mnohem méně jako ideální vodiče a také vykazují zajímavé efekty související s plazmony kinetická indukčnost a povrchová plazmonová rezonance. Podobně s nimi interagují optická pole polovodiče zásadně odlišným způsobem než mikrovlnné trouby.

Optika blízkého pole

Hlavní články: Optika blízkého pole a Blízké a vzdálené pole

Pokud si vezmete Fourierova transformace objektu, skládá se z různých prostorové frekvence. Vyšší frekvence odpovídají velmi jemným vlastnostem a ostrým hranám.

Když je takový objekt vyzařován, tvoří světlo s velmi vysokou prostorovou frekvencí postupná vlna, který existuje pouze v blízko pole (velmi blízko k objektu, ve vlnové délce nebo dvou) a zmizí v vzdálené pole. To je původ difrakční limit, který říká, že když objektiv zobrazuje objekt, informace o vlnové délce jsou rozmazané.

Nano-fotonika se primárně zabývá evanescentními vlnami blízkého pole. Například a superlens (zmíněno výše) by zabránilo rozpadu evanescentní vlny a umožnilo by zobrazování s vyšším rozlišením.

Metamateriály

Hlavní článek: Metamateriál

Metamateriály jsou umělé materiály konstruované tak, aby měly vlastnosti, které se v přírodě nevyskytují. Jsou vytvořeny vytvořením řady struktur mnohem menších než vlnová délka. Malá (nano) velikost struktur je důležitá: Tímto způsobem s nimi světlo interaguje, jako by vytvářely jednotné, spojité médium, místo aby rozptylovaly jednotlivé struktury.

Viz také

Reference

  1. ^ A b Pohl, D.W .; Denk, W .; Lanz, M. (1984). "Optická stetoskopie: Záznam obrazu s rozlišením λ / 20". Appl. Phys. Lett. 44 (7): 651–653. Bibcode:1984ApPhL..44..651P. doi:10.1063/1.94865.
  2. ^ Dürig, U .; Pohl, D. W .; Rohner, F. (1986). "Mikroskopie optického skenování v blízkém poli". J. Appl. Phys. 59 (10): 3318–3327. Bibcode:1986JAP ... 59.3318D. doi:10.1063/1.336848.
  3. ^ Betzig, E .; Harootunian, A .; Isaacson, M .; Kratschmer, E. (1986). „Near Field scanning optical microscopy (NSOM)“. Biophys. J. 49: 269–279. Bibcode:1986BpJ .... 49..269B. doi:10.1016 / s0006-3495 (86) 83640-2. PMC  1329633. PMID  19431633.
  4. ^ Hewakuruppu, Y., et al., Plazmonická metoda „čerpadlo - sonda“ ke studiu poloprůhledných nanofluidů Archivováno 3. března 2016 na adrese Wayback Machine, Applied Optics, 52 (24): 6041-6050
  5. ^ Assefa, Solomon; Xia, Fengnian; Vlasov, Yurii A. (2010). „Znovuobjevení lavinového fotodetektoru germania pro nanofotonická optická propojení na čipu“. Příroda. 464 (7285): 80–4. Bibcode:2010Natur.464 ... 80A. doi:10.1038 / nature08813. PMID  20203606.
  6. ^ A b „Objev výzkumu etiopským vědcem ve společnosti IBM“. Časopis Tadias. Citováno 2010-03-15.
  7. ^ "Lavinový fotodetektor překonává rychlostní rekord". Svět fyziky. Citováno 2010-03-15.
  8. ^ Themistoklis P. H. Sidiropoulos, Robert Röder, Sebastian Geburt, Ortwin Hess, Stefan A. Maier, Carsten Ronning, Rupert F. Oulton (2014). "Ultrarychlé plazmonické nanodrátové lasery poblíž povrchové frekvence plazmonu". Fyzika přírody. 10 (11): 870–876. Bibcode:2014NatPh..10..870S. doi:10.1038 / nphys3103. hdl:10044/1/18641.CS1 maint: používá parametr autoři (odkaz) tisková zpráva Archivováno 25. prosince 2016, na Wayback Machine
  9. ^ Ruka, Aarone. „Objektivy s vysokým indexem posunutí ponoření nad 32 nm“. Archivovány od originál dne 29. 9. 2015. Citováno 2014-09-27.
  10. ^ Liang Pan a kol. (2011). „Plastická litografie bez maskování při rozlišení 22 nm“. Vědecké zprávy. 1: 175. Bibcode:2011NatSR ... 1E.175P. doi:10.1038 / srep00175. PMC  3240963. PMID  22355690.CS1 maint: používá parametr autoři (odkaz)
  11. ^ "IBM Research | IBM Research | Silicon Integrated Nanophotonics". Domino.research.ibm.com. 04.03.2010. Citováno 2010-03-15.
  12. ^ Vivian E. Ferry, Jeremy N. Munday, Harry A. Atwater (2010). "Úvahy o návrhu pro plazmovou fotovoltaiku". Pokročilé materiály. 22 (43): 4794–4808. doi:10.1002 / adma.201000488. PMID  20814916.CS1 maint: používá parametr autoři (odkaz)
  13. ^ Acuna, Guillermo; Grohmann, Dina; Tinnefeld, Philip (2014). "Posílení fluorescence jedné molekuly pomocí nanofotoniky". FEBS Dopisy. 588 (19): 3547–3552. doi:10.1016 / j.febslet.2014.06.016. PMID  24928436.
  14. ^ R. Zhang, Y. Zhang, Z. C. Dong, S. Jiang, C. Zhang, L. G. Chen, L. Zhang, Y. Liao, J. Aizpurua, Y. Luo, J. L. Yang, J. G. Hou (6. června 2013). "Chemické mapování jedné molekuly plazmanovým Ramanovým rozptylem". Příroda. 498 (7452): 82–86. Bibcode:2013Natur.498 ... 82Z. doi:10.1038 / příroda12151. PMID  23739426.CS1 maint: používá parametr autoři (odkaz)
  15. ^ Pohl, D. W. (2000). "Optika blízkého pole vnímána jako problém s anténou". Near Field Optics: Principles and Applications / The Second Asia-Pacific Workshop on Near Field Optics. Singapur New Jersey Londýn Hong Kong: World Scientific. str. 9–21. ISBN  981-02-4365-0.
  16. ^ van Hulst, Niek. „Optická nanoanténa řídí emise jedné kvantové tečky“. 2fyzika. 2fyzika.
  17. ^ P. Muehlschlegel, H.-J. Eisler, O.J.F. Martin, B. Hecht a D.W. Pohl (2005). "Rezonanční optické antény". Věda. 308 (5728): 1607–9. Bibcode:2005Sci ... 308.1607M. doi:10.1126 / science.1111886. PMID  15947182.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)
  18. ^ Daniel Dregely, Richard Taubert, Jens Dorfmüller, Ralf Vogelgesang, Klaus Kern, Harald Giessen (2011). „3D optické pole nanoanten Yagi – Uda“. Příroda komunikace. 2 (267): 267. Bibcode:2011NatCo ... 2..267D. doi:10.1038 / ncomms1268. PMC  3104549. PMID  21468019.CS1 maint: používá parametr autoři (odkaz)

externí odkazy