Нанофотоника - Nanophotonics

Часть серии статей о
Наноэлектроника
Одномолекулярная электроника
Твердотельная наноэлектроника
Связанные подходы
  • Приложения Nuvola kalzium.svg Научный портал
  • Nuvola apps ksim.png Электронный портал
  • Telecom-icon.svg Технологический портал

Нанофотоника или нанооптика это исследование поведения свет на нанометр масштаба и взаимодействия объектов нанометрового масштаба со светом. Это филиал оптика, оптическая инженерия, электротехника, и нанотехнологии. Он часто (но не исключительно) включает металлические компоненты, которые могут переносить и фокусировать свет через поверхностные плазмонные поляритоны.

Термин «нанооптика», как и термин «оптика», обычно относится к ситуациям, связанным с ультрафиолетовый, видимый, и ближний инфракрасный свет (длины волн в свободном пространстве от 300 до 1200 нм).

Фон

Обычные оптические компоненты, такие как линзы и микроскопы, обычно не могут фокусировать свет до нанометров (глубокой субволна ) масштабов из-за предел дифракции (Критерий Рэлея ). Тем не менее, можно сжать свет до нанометрового масштаба, используя другие методы, такие как, например, поверхностные плазмоны, локализованные поверхностные плазмоны вокруг наноразмерных металлических объектов, а также наноразмерные апертуры и наноразмерные острые наконечники, используемые в сканирующая оптическая микроскопия в ближнем поле (СБОМ или НСОМ)[1][2][3] и фото помощь сканирующая туннельная микроскопия.[4]

Мотивации

Исследователи нанофотоники преследуют самые разные цели в самых разных областях, от биохимии до электротехники. Некоторые из этих целей кратко изложены ниже.

Оптоэлектроника и микроэлектроника

Если свет можно сжать до небольшого объема, он может быть поглощен и обнаружен небольшим детектором. Маленький фотоприемники имеют ряд желаемых свойств, включая низкий уровень шума, высокую скорость и низкое напряжение и мощность.[5][6][7]

Маленький лазеры иметь различные желательные свойства для оптическая связь включая низкий пороговый ток (что способствует энергоэффективности) и быструю модуляцию[8] (что означает больше передачи данных). Очень маленькие лазеры требуют субволна оптические резонаторы. Примером является спазеры, то поверхностный плазмон версия лазеров.

Интегральные схемы выполнены с использованием фотолитография, то есть воздействие света. Чтобы сделать транзисторы очень маленького размера, свет должен быть сфокусирован для получения чрезвычайно четких изображений. Используя различные методы, такие как иммерсионная литография и фазосдвигающий фотошаблоны действительно было возможно сделать изображения намного более тонкими, чем длина волны - например, нарисовать линии 30 нм с использованием света 193 нм.[9] Для этого приложения также были предложены плазмонные методы.[10]

Магнитная запись с подогревом это нанофотонный подход к увеличению объема данных, которые может хранить магнитный диск. Перед записью данных требуется, чтобы лазер нагрел крошечную субволновую область магнитного материала. Магнитная записывающая головка будет иметь металлические оптические компоненты для концентрации света в нужном месте.

Миниатюризация в оптоэлектроника, например миниатюризация транзисторов в интегральные схемы, улучшили их скорость и стоимость. Однако, оптоэлектронный схемы могут быть уменьшены только в том случае, если оптические компоненты будут уменьшены вместе с электронными компонентами. Это актуально для внутрикристальных оптическая связь (то есть передача информации от одной части микрочипа к другой путем передачи света через оптические волноводы вместо изменения напряжения на проводе).[6][11]

Солнечные батареи

Солнечные батареи часто лучше всего работает, когда свет поглощается очень близко к поверхности, как потому, что у электронов у поверхности больше шансов быть собранными, так и потому, что устройство можно сделать тоньше, что снижает стоимость. Исследователи исследовали множество нанофотонных методов для усиления света в оптимальных местах внутри солнечного элемента.[12]

Спектроскопия

Использование нанофотоники для создания пиков высокой интенсивности: Если заданное количество световой энергии сжимается в все меньший и меньший объем («горячая точка»), интенсивность в горячей точке становится все больше и больше. Это особенно полезно в нелинейная оптика; пример комбинационное рассеяние света с усилением поверхности. Это также позволяет чувствительным спектроскопия измерения даже отдельных молекул, находящихся в горячей точке, в отличие от традиционных методов спектроскопии, которые в среднем измеряют миллионы или миллиарды молекул.[13][14]

Микроскопия

Одна из целей нанофотоники - создание так называемого "суперлинза ", который будет использовать метаматериалы (см. ниже) или другие методы для создания изображений с большей точностью, чем предел дифракции (глубокий субволна ).

Сканирующий оптический микроскоп ближнего поля (NSOM или SNOM) - это совершенно другой нанофотонный метод, который выполняет ту же цель - получение изображений с разрешением, намного меньшим, чем длина волны. Он включает в себя растровое сканирование очень острого наконечника или очень маленькой апертуры по поверхности, которую нужно отобразить.[1]

Под микроскопией ближнего поля в более общем смысле понимается любой метод, использующий ближнее поле (см. Ниже) для достижения наноразмерного субволнового разрешения. Например, двухполяризационная интерферометрия имеет разрешение пикометра в вертикальной плоскости над поверхностью волновода.[нужна цитата ]

Принципы

Плазмоны и металлическая оптика

Основные статьи: Плазмон и Поверхностный плазмон

Металлы - это эффективный способ ограничить свет намного ниже длины волны. Первоначально это использовалось в радио и микроволновая техника, где металл антенны и волноводы может быть в сотни раз меньше длины волны в свободном пространстве. По той же причине видимый свет может быть ограничен наноразмером с помощью наноразмерных металлических структур, таких как наноразмерные структуры, наконечники, зазоры и т. Д. Многие конструкции нанооптики выглядят как обычные микроволновые или радиоволновые схемы, но сжимаются. вниз в 100000 раз и более. В конце концов, радиоволны, микроволны и видимый свет - это все электромагнитное излучение; они отличаются только частотой. Таким образом, при прочих равных условиях микроволновая цепь, уменьшенная в 100000 раз, будет вести себя так же, но на частоте в 100000 раз выше.[15] Этот эффект в некоторой степени аналогичен громоотводу, где поле концентрируется на острие. В основе его лежит тот факт, что диэлектрическая проницаемость металла очень большой и негативный. На очень высоких частотах (около и выше плазменная частота, обычно ультрафиолет), диэлектрическая проницаемость металла не так велика, и металл перестает быть полезным для концентрации полей.

Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ) изображение пятиэлементной антенны Яги-Уда, состоящей из фидерного элемента, одного рефлектора и трех директоров, изготовленных компанией электронно-лучевая литография.[16]

Например, исследователи создали нанооптические диполи и Антенны Яги – Уда по существу такой же дизайн, как и для радиоантенн.[17][18]

Металлическая параллельная пластина волноводы (полосковые), сосредоточенно-постоянная схема такие элементы, как индуктивность и емкость (в видимый свет частоты, значения последних порядка фемтогенри и аттофарад соответственно), а согласование импеданса диполь антенны к линии передачи, все знакомые техники на микроволновая печь частоты, являются одними из актуальных направлений развития нанофотоники. Тем не менее, существует ряд очень важных различий между нанооптикой и упрощенными микроволновыми схемами. Например, на оптической частоте металлы гораздо менее похожи на идеальные проводники, а также демонстрируют интересные плазмонные эффекты, такие как кинетическая индуктивность и поверхностный плазмонный резонанс. Точно так же оптические поля взаимодействуют с полупроводники принципиально другим способом, чем микроволновые печи.

Оптика ближнего поля

Основные статьи: Оптика ближнего поля и Ближнее и дальнее поле

Если вы возьмете преобразование Фурье объекта, он состоит из разных пространственные частоты. Более высокие частоты соответствуют очень тонким деталям и резким краям.

Когда свет излучается таким объектом, свет с очень высокой пространственной частотой образует мимолетная волна, который существует только в ближнее поле (очень близко к объекту, в пределах одной или двух длин волн) и исчезает в дальнее поле. Это происхождение предел дифракции, который говорит о том, что когда объектив отображает объект, информация о субволнах размывается.

Нанофотоника в первую очередь связана с затухающими волнами ближнего поля. Например, суперлинза (упомянутый выше) предотвратит затухание затухающей волны, позволяя получать изображения с более высоким разрешением.

Метаматериалы

Основная статья: Метаматериал

Метаматериалы - это искусственные материалы, обладающие свойствами, которые невозможно найти в природе. Они создаются путем изготовления массива структур, намного меньших длины волны. Небольшой (нано) размер структур важен: таким образом, свет взаимодействует с ними, как если бы они составляли однородную непрерывную среду, а не рассеивались на отдельных структурах.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Pohl, D.W .; Denk, W .; Ланц, М. (1984). «Оптическая стетоскопия: запись изображений с разрешением λ / 20». Appl. Phys. Латыш. 44 (7): 651–653. Bibcode:1984АпФЛ..44..651П. Дои:10.1063/1.94865.
  2. ^ Dürig, U .; Pohl, D. W .; Ронер, Ф. (1986). "Оптическая сканирующая микроскопия ближнего поля". J. Appl. Phys. 59 (10): 3318–3327. Bibcode:1986JAP .... 59.3318D. Дои:10.1063/1.336848.
  3. ^ Betzig, E .; Harootunian, A .; Isaacson, M .; Kratschmer, E. (1986). «Сканирующая оптическая микроскопия ближнего поля (НСОМ)». Биофиз. J. 49: 269–279. Bibcode:1986BpJ .... 49..269B. Дои:10.1016 / с0006-3495 (86) 83640-2. ЧВК  1329633. PMID  19431633.
  4. ^ Hewakuruppu, Y., et al., Плазмонный метод «насос-зонд» для исследования полупрозрачных наножидкостей. В архиве 3 марта 2016 г. Wayback Machine, Прикладная оптика, 52 (24): 6041-6050
  5. ^ Ассефа, Соломон; Ся, Фенниан; Власов, Юрий А. (2010). «Новое изобретение германиевого лавинного фотодетектора для нанофотонных встроенных оптических соединений». Природа. 464 (7285): 80–4. Bibcode:2010Натура 464 ... 80А. Дои:10.1038 / природа08813. PMID  20203606.
  6. ^ а б «Открытие исследования эфиопским ученым из IBM». Журнал Тадиас. Получено 2010-03-15.
  7. ^ «Лавинный фотоприемник побил рекорд скорости». Мир физики. Получено 2010-03-15.
  8. ^ Фемистоклис П. Х. Сидиропулос, Роберт Рёдер, Себастьян Гебурт, Ортвин Хесс, Стефан А. Майер, Карстен Роннинг, Руперт Ф. Оултон (2014). "Сверхбыстрые плазмонные нанопроволочные лазеры вблизи частоты поверхностного плазмона". Природа Физика. 10 (11): 870–876. Bibcode:2014НатФ..10..870С. Дои:10.1038 / nphys3103. HDL:10044/1/18641.CS1 maint: использует параметр авторов (ссылка на сайт) пресс-релиз В архиве 25 декабря 2016 г. Wayback Machine
  9. ^ Рука, Аарон. «Линзы с высоким индексом преломления обеспечивают иммерсию за пределы 32 нм». Архивировано из оригинал на 2015-09-29. Получено 2014-09-27.
  10. ^ Лян Пан и др. (2011). «Плазмонная литография без маски с разрешением 22 нм». Научные отчеты. 1: 175. Bibcode:2011НатСР ... 1Е.175П. Дои:10.1038 / srep00175. ЧВК  3240963. PMID  22355690.CS1 maint: использует параметр авторов (ссылка на сайт)
  11. ^ "IBM Research | IBM Research | Кремниевая интегрированная нанофотоника". Domino.research.ibm.com. 2010-03-04. Получено 2010-03-15.
  12. ^ Вивиан Э. Ферри, Джереми Н. Мандей, Гарри А. Этуотер (2010). "Соображения по проектированию плазмонных фотоэлектрических элементов". Передовые материалы. 22 (43): 4794–4808. Дои:10.1002 / adma.201000488. PMID  20814916.CS1 maint: использует параметр авторов (ссылка на сайт)
  13. ^ Акуна, Гильермо; Громанн, Дина; Тиннефельд, Филипп (2014). «Повышение флуоресценции одиночных молекул с помощью нанофотоники». Письма FEBS. 588 (19): 3547–3552. Дои:10.1016 / j.febslet.2014.06.016. PMID  24928436.
  14. ^ Р. Чжан, Ю. Чжан, З. К. Донг, С. Цзян, К. Чжан, Л. Г. Чен, Л. Чжан, Ю. Ляо, Дж. Айзпуруа, Ю. Ло, Дж. Л. Ян, Дж. Г. Хоу (6 июня 2013 г.). «Химическое картирование одной молекулы с помощью плазмонно-усиленного комбинационного рассеяния света». Природа. 498 (7452): 82–86. Bibcode:2013Натура 498 ... 82Z. Дои:10.1038 / природа12151. PMID  23739426.CS1 maint: использует параметр авторов (ссылка на сайт)
  15. ^ Поль, Д. В. (2000). «Оптика ближнего поля как проблема антенны». Оптика ближнего поля: принципы и приложения / Второй Азиатско-Тихоокеанский семинар по оптике ближнего поля. Сингапур Нью-Джерси Лондон Гонконг: World Scientific. С. 9–21. ISBN  981-02-4365-0.
  16. ^ ван Хюльст, Ник. «Оптическая наноантенна контролирует излучение одиночных квантовых точек». 2физика. 2физика.
  17. ^ П. Мюльшлегель, Х.-Ж. Эйслер, О.Дж.Ф. Мартин, Б. Хехт и Д.В. Поль (2005). «Резонансные оптические антенны». Наука. 308 (5728): 1607–9. Bibcode:2005Научный ... 308.1607M. Дои:10.1126 / science.1111886. PMID  15947182.CS1 maint: несколько имен: список авторов (ссылка на сайт)
  18. ^ Даниэль Дрегели, Рихард Тауберт, Йенс Дорфмюллер, Ральф Фогельгесанг, Клаус Керн, Харальд Гиссен (2011). «Трехмерная оптическая наноантенна Яги – Уда». Nature Communications. 2 (267): 267. Bibcode:2011НатКо ... 2..267D. Дои:10.1038 / ncomms1268. ЧВК  3104549. PMID  21468019.CS1 maint: использует параметр авторов (ссылка на сайт)

внешняя ссылка