Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено с Nanophotonic )
Перейти к навигации Перейти к поиску
Часть цикла статей о
Наноэлектроника
Одномолекулярная электроника
Твердотельная наноэлектроника
Связанные подходы

Нанофотоника или нанооптика - это изучение поведения света в нанометровом масштабе и взаимодействия объектов нанометрового масштаба со светом. Это отрасль оптики , оптической инженерии , электротехники и нанотехнологий . Он часто включает диэлектрические структуры, такие как наноантенны или металлические компоненты, которые могут переносить и фокусировать свет с помощью поверхностных плазмонных поляритонов .

Термин «нанооптика», как и термин «оптика», обычно относится к ситуациям, связанным с ультрафиолетовым , видимым и ближним инфракрасным светом (длины волн в свободном пространстве от 300 до 1200 нанометров).

Фон [ править ]

Обычные оптические компоненты, такие как линзы и микроскопы, обычно не могут фокусировать свет в нанометровом (глубоких субволновых ) масштабах из-за дифракционного предела ( 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 сканирующей оптической микроскопии ближнего поля (SNOM или NSOM) [1] [2] [3] и фотоассистированная сканирующая туннельная микроскопия . [4]

Мотивации [ править ]

Исследователи нанофотоники преследуют самые разные цели в самых разных областях, от биохимии до электротехники. Ниже кратко излагаются некоторые из этих целей.

Оптоэлектроника и микроэлектроника [ править ]

Если свет можно сжать до небольшого объема, он может быть поглощен и обнаружен небольшим детектором. Небольшие фотодетекторы, как правило, обладают множеством желаемых свойств, включая низкий уровень шума, высокую скорость и низкое напряжение и мощность. [5] [6] [7]

Маленькие лазеры обладают различными желательными свойствами для оптической связи, включая низкий пороговый ток (что способствует повышению энергоэффективности) и быструю модуляцию [8] (что означает большую передачу данных). Для очень маленьких лазеров требуются субволновые оптические резонаторы . Примером могут служить спазеры , поверхностная плазмонная версия лазеров.

Интегральные схемы изготавливаются с использованием фотолитографии , то есть воздействия света. Чтобы сделать транзисторы очень маленького размера, свет должен быть сфокусирован на чрезвычайно резких изображениях. Используя различные методы, такие как иммерсионная литография и фотошаблоны с фазовым сдвигом , действительно можно было делать изображения намного более тонкими, чем длина волны, например, рисовать 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 оптоэлектронике , например миниатюризация транзисторов в интегральных схемах , повысила их быстродействие и стоимость. Однако оптоэлектронные схемы могут быть миниатюризированы только в том случае, если оптические компоненты будут уменьшены вместе с электронными компонентами. Это актуально для внутрикристальной оптической связи (т. Е. Передачи информации от одной части микрочипа к другой путем передачи света через оптические волноводы вместо изменения напряжения на проводе). [6] [11]

Солнечные батареи [ править ]

Солнечные элементы часто работают лучше всего, когда свет поглощается очень близко к поверхности, потому что электроны у поверхности имеют больше шансов на сбор, 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 [ править ]

Использование нанофотоники для создания высокой пиковой 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 нелинейной оптике ; Примером является комбинационное рассеяние света с усилением поверхности . Он также позволяет проводить чувствительные спектроскопические измерения даже отдельных молекул, находящихся в горячей точке, в отличие от традиционных методов спектроскопии, которые измеряют в среднем миллионы или миллиарды молекул. [13] [14]

Микроскопия [ править ]

Одна из целей нанофотоники - создать так называемую « суперлинзу », в которой будут использоваться метаматериалы (см. Ниже) или другие методы для создания изображений, которые являются более точными, чем предел дифракции (глубокая 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]

Микроскопия ближнего поля в более общем смысле относится к любому методу, использующему ближнее поле (см. Ниже) для достижения наномасштабного субволнового разрешения. Например, двухполяризационная интерферометрия имеет пикометрическое разрешение в вертикальной плоскости над поверхностью волновода. [ необходима цитата ]

Принципы [ править ]

Плазмоны и металлическая оптика [ править ]

Основные статьи: плазмоника и поверхностный плазмон

Металлы - это эффективный способ ограничить свет намного меньше длины волны. Первоначально это использовалось в радио- и микроволновой технике , где металлические антенны и волноводыможет 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 различаются только частотой. Таким образом, при прочих равных условиях микроволновая схема, 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. Технологическая область, в которой используется взаимодействие света и металлов, называется плазмоникой.. В основе его лежит тот факт, что диэлектрическая проницаемость металла очень велика и отрицательна. На очень высоких частотах (около и выше плазменной частоты , обычно ультрафиолетовой) диэлектрическая проницаемость металла не так велика, и металл перестает использоваться для концентрации полей.

Изображение с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) пятиэлементной антенны Яги-Уда, состоящей из питающего элемента, одного отражателя и трех директоров, изготовленное методом электронно-лучевой литографии . [16]

Например, исследователи создали нанооптические диполи и антенны Яги-Уда, по сути, по той же конструкции, что и радиоантенны. [17] [18]

Металлические волноводы с параллельными пластинами (полосковые линии), элементы схемы с сосредоточенной постоянной величиной, такие как индуктивность и емкость (на частотах видимого света , значения последней порядка фемтогенри и аттофарад соответственно) и согласование импеданса дипольных антенн с линии передачи , все знакомые техники в микроволновой печичастоты, 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 проявляют интересные плазмонные эффекты, такие как кинетическая индуктивность и поверхностный плазмонный резонанс . Точно так же оптические поля взаимодействуют с полупроводниками принципиально иначе, чем микроволны.

Оптика ближнего поля [ править ]

Основные статьи: Оптика ближнего поля и ближнее и дальнее поле

Преобразование Фурье пространственного распределения поля состоит из разных пространственных частот . Более высокие пространственные частоты соответствуют очень тонким деталям и резким краям.

В нанофотонике часто изучаются сильно локализованные источники излучения ( диполярные излучатели, такие как флуоресцентные молекулы). Эти источники могут быть разложены на обширный спектр из плоских волн с различными волновыми числами , которые соответствуют угловым пространственным частотам. Частотные компоненты с более высокими волновыми числами по сравнению с волновым числом в свободном пространстве света образуют исчезающие поля. Затухающие компоненты существуют только в ближнем поле эмиттера и распадаются без передачи чистой энергии в дальнее поле . Таким образом, информация о субволнах от излучателя размывается; это приводит к дифракционному пределув оптических системах. [19]

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

Метаматериалы [ править ]

Основная статья: Метаматериал

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

См. Также [ править ]

  • ACS Photonics
  • Ультраэффективная нанофотонная внутричиповая связь
  • Журнал Photonics Spectra
  • Кремниевая фотоника
  • Фотоника

Ссылки [ править ]

  1. ^ а б Поль, DW; Denk, W .; Ланц, М. (1984). «Оптическая стетоскопия: запись изображений с разрешением λ / 20». Прил. Phys. Lett . 44 (7): 651–653. Bibcode : 1984ApPhL..44..651P . DOI : 10.1063 / 1.94865 .
  2. ^ Dürig, U .; Pohl, DW; Ронер, Ф. (1986). "Оптическая сканирующая микроскопия ближнего поля". 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). «Сканирующая оптическая микроскопия ближнего поля (NSOM)» . Биофиз. Дж . 49 (1): 269–279. Bibcode : 1986BpJ .... 49..269B . DOI : 10.1016 / s0006-3495 (86) 83640-2 . PMC 1329633 . PMID 19431633 .  
  4. ^ . Hewakuruppu, Y. и др, Плазмонный "насос - зонд" метод исследование полупрозрачные наножидкостей архивированных 3 марта 2016, на Wayback Machine , Applied Optics, 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 : 2010Natur.464 ... 80А . DOI : 10,1038 / природа08813 . PMID 20203606 . S2CID 4372660 .  
  6. ^ a b «Исследование, сделанное эфиопским ученым из IBM» . Журнал Тадиас . Проверено 15 марта 2010 .
  7. ^ "Лавинный фотоприемник бьет рекорд скорости" . Мир физики . Проверено 15 марта 2010 .
  8. ^ Фемистоклис PH Сидиропулос, Роберт Рёдер, Себастьян Гебурт, Ортвин Гесс, Стефан А. Майер, Карстен Роннинг, Руперт Ф. Оултон (2014). "Сверхбыстрые плазмонные нанопроволочные лазеры вблизи частоты поверхностного плазмона". Физика природы . 10 (11): 870–876. Bibcode : 2014NatPh..10..870S . DOI : 10.1038 / nphys3103 . hdl : 10044/1/18641 .CS1 maint: использует параметр авторов ( ссылка ) Пресс-релиз. Архивировано 25 декабря 2016 г. в Wayback Machine.
  9. ↑ Рука, Аарон. "High-Index Линзы Нажмите Погружение Beyond 32 нм" . Архивировано из оригинала на 2015-09-29 . Проверено 27 сентября 2014 .
  10. ^ Лян Пан и др. (2011). «Плазмонная литография без маски с разрешением 22 нм» . Научные отчеты . 1 : 175. Bibcode : 2011NatSR ... 1E.175P . DOI : 10.1038 / srep00175 . PMC 3240963 . PMID 22355690 .  CS1 maint: использует параметр авторов ( ссылка )
  11. ^ "IBM Research | IBM Research | Кремниевая интегрированная нанофотоника" . Domino.research.ibm.com. 2010-03-04 . Проверено 15 марта 2010 .
  12. Перейти ↑ Vivian E. Ferry, Jeremy N. Munday, Harry A. Atwater (2010). «Соображения по проектированию плазмонных фотоэлектрических элементов». Современные материалы . 22 (43): 4794–4808. DOI : 10.1002 / adma.201000488 . PMID 20814916 . CS1 maint: использует параметр авторов ( ссылка )
  13. ^ Акуна, Гильермо; Громанн, Дина; Тиннефельд, Филипп (2014). «Повышение флуоресценции одиночных молекул с помощью нанофотоники» . Письма FEBS . 588 (19): 3547–3552. DOI : 10.1016 / j.febslet.2014.06.016 . PMID 24928436 . 
  14. ↑ R. Zhang, Y. Zhang, ZC Dong, S. Jiang, C. Zhang, LG Chen, L. Zhang, Y. Liao, J. Aizpurua, Y. Luo, JL Yang, JG Hou (6 июня 2013 г.). «Химическое картирование отдельной молекулы с помощью плазмонно-усиленного комбинационного рассеяния света». Природа . 498 (7452): 82–86. Bibcode : 2013Natur.498 ... 82Z . DOI : 10,1038 / природа12151 . PMID 23739426 . S2CID 205233946 .  CS1 maint: использует параметр авторов ( ссылка )
  15. Перейти ↑ Pohl, DW (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. Muehlschlegel, H.-J. Эйслер, OJF Martin, B. Hecht и DW Pohl (2005). «Резонансные оптические антенны» . Наука . 308 (5728): 1607–9. Bibcode : 2005Sci ... 308.1607M . DOI : 10.1126 / science.1111886 . PMID 15947182 . S2CID 40214874 .  CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  18. ^ Даниэль Дрегели, Ричард Тауберт, Йенс Дорфмюллер, Ральф Фогельгесанг, Клаус Керн, Харальд Гиссен (2011). «Трехмерная оптическая наноантенна Яги – Уда» . Nature Communications . 2 (267): 267. Bibcode : 2011NatCo ... 2..267D . DOI : 10.1038 / ncomms1268 . PMC 3104549 . PMID 21468019 .  CS1 maint: uses authors parameter (link)
  19. ↑ Новотный, Лукас; Хехт, Берт (2012). Принципы нанооптики . Норвуд: Издательство Кембриджского университета . ISBN 9780511794193.

Внешние ссылки [ править ]

  • Платформа наноструктурирования ePIXnet для фотонной интеграции
  • Оптически индуцированный массоперенос в ближних полях
  • «Прорыв в фотонике для кремниевых чипов: свет может оказывать достаточно силы, чтобы переключать переключатели на кремниевом чипе», Хун Х. Тан, IEEE Spectrum, октябрь 2009 г.
  • Нанофотоника, нанооптика и наноспектроскопия AJ Meixner (Ed.) Thematic Series in the Open Access Beilstein Journal of Nanotechnology