Нанофотоника
Изучение света в нанометровом масштабе
Часть серии статей на тему
Наноэлектроника
Одномолекулярная электроника
Твердотельная наноэлектроника
Связанные подходы
Порталы
икона Портал электроники

Нанофотоника или нанооптика — это изучение поведения света в нанометровом масштабе и взаимодействия объектов нанометрового масштаба со светом. Это раздел оптики , оптической инженерии , электротехники и нанотехнологии . Она часто включает в себя диэлектрические структуры, такие как наноантенны , или металлические компоненты, которые могут транспортировать и фокусировать свет с помощью поверхностных плазмонных поляритонов . [1]

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

Обычные оптические компоненты, такие как линзы и микроскопы, обычно не могут нормально фокусировать свет до нанометровых (глубоких субволновых ) масштабов из-за дифракционного предела ( критерий Рэлея ). Тем не менее, возможно 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) [2] [3] [4] и фотоассистированной сканирующей туннельной микроскопии . [5]

Приложение

Исследователи нанофотоники преследуют очень широкий спектр целей в областях от биохимии до электротехники и безуглеродной энергетики. 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. Маленькие фотодетекторы , как правило, обладают рядом желаемых свойств, включая низкий уровень шума, высокую скорость, низкое напряжение и мощность. [6] [7] [8]

Малые лазеры обладают различными желательными свойствами для оптической связи , включая низкий пороговый ток (что способствует повышению энергоэффективности) и быструю модуляцию [9] (что означает большую передачу данных). Для очень малых лазеров требуются оптические полости субволновой длины . Примером являются спазеры , поверхностно-плазмонная версия лазеров.

Интегральные схемы изготавливаются с использованием фотолитографии , т. е. воздействия света. Для того, чтобы сделать очень маленькие транзисторы, свет должен быть сфокусирован в чрезвычайно четкие изображения. Используя различные методы, такие как иммерсионная литография и фазосдвигающие фотошаблоны , действительно стало возможным делать изображения намного тоньше длины волны — например, рисуя линии 30 нм с использованием света 193 нм. [10] Плазмонные методы также были предложены для этого применения. [11]

Магнитная запись с использованием нагрева — это нанофотонный подход к увеличению объема данных, которые может хранить магнитный диск. Для этого требуется лазер для нагревания крошечной субволновой области магнитного материала перед записью данных. Магнитная пишущая головка будет иметь металлические оптические компоненты для концентрации света в нужном месте.

Миниатюризация в оптоэлектронике , например, миниатюризация транзисторов в интегральных схемах , улучшила их скорость и стоимость. Однако оптоэлектронные схемы могут быть миниатюризированы только в том случае, если оптические компоненты будут уменьшены вместе с электронными компонентами. Это актуально для оптической связи на чипе (т. е. передачи информации из одной части микрочипа в другую путем передачи света через оптические волноводы, вместо изменения напряжения на проводе). [7] [12]

Солнечные элементы

Солнечные элементы часто работают лучше всего, когда свет поглощается очень близко к поверхности, как потому, что электроны вблизи поверхности имеют больше шансов быть собранными, так и потому, что устройство можно сделать тоньше, что снижает стоимость. Исследователи изучили различные нанофотонные методы для усиления света в оптимальных местах внутри солнечного элемента. [13]

Контролируемое высвобождение противораковых терапевтических средств

Нанофотоника также участвует в содействии контролируемому и требуемому высвобождению противораковых терапевтических средств, таких как адриамицин, из нанопористых оптических антенн для воздействия на трижды негативный рак молочной железы и смягчения механизмов экзоцитоза противораковых лекарственных препаратов, резистентных к ним, и, таким образом, обхода токсичности для нормальных системных тканей и клеток. [14]

Спектроскопия

Использование нанофотоники для создания высоких пиковых интенсивностей : если заданное количество световой энергии сжимается во все меньший и меньший объем («горячая точка»), интенсивность в горячей точке становится все больше и больше. Это особенно полезно в нелинейной оптике ; примером является поверхностно-усиленное комбинационное рассеяние . Это также позволяет проводить чувствительные спектроскопические измерения даже отдельных молекул, расположенных в горячей точке, в отличие от традиционных методов спектроскопии, которые берут среднее значение по миллионам или миллиардам молекул. [15] [16]

Микроскопия

Одной из целей нанофотоники является создание так называемой « суперлинзы », которая будет использовать метаматериалы (см. ниже) или другие методы для создания изображений, которые точнее предела дифракции (глубокая субволновая длина ). В 1995 году Герра продемонстрировал это, визуализировав кремниевую решетку с линиями и промежутками 50 нм при освещении с длиной волны 650 нм в воздухе. [17] Это было достигнуто путем соединения прозрачной фазовой решетки с линиями и промежутками 50 нм (метаматериал) с объективом иммерсионного микроскопа (суперлинзой).

Сканирующий оптический микроскоп ближнего поля (NSOM или SNOM) — это совершенно иная нанофотонная техника, которая достигает той же цели — получения изображений с разрешением, намного меньшим длины волны. Она включает в себя растровое сканирование очень острого кончика или очень маленькой апертуры по поверхности, которую нужно отобразить. [2]

Микроскопия ближнего поля относится в более общем смысле к любой технике, использующей ближнее поле (см. ниже) для достижения наномасштабного субволнового разрешения. В 1987 году Герра (работавший в Polaroid Corporation) добился этого с помощью несканирующего туннельного микроскопа всего поля с фотонами. [18] В другом примере двухполяризационная интерферометрия имеет пикометрическое разрешение в вертикальной плоскости над поверхностью волновода. [ необходима цитата ]

Оптическое хранилище данных

Нанофотоника в форме субволновых оптических структур ближнего поля, либо отдельных от записывающего носителя, либо интегрированных в записывающий носитель, использовалась для достижения оптической плотности записи, намного превышающей предел дифракции. [19] Эта работа началась в 1980-х годах в Polaroid Optical Engineering (Кембридж, Массачусетс) и продолжалась по лицензии в Calimetrics (Бедфорд, Массачусетс) при поддержке Программы передовых технологий NIST.

Инженерия запрещенной зоны

В 2002 году Гуэрра (Nanoptek Corporation) продемонстрировал, что нанооптические структуры полупроводников демонстрируют сдвиги запрещенной зоны из-за индуцированной деформации. В случае диоксида титана структуры с шириной половинной высоты порядка менее 200 нм будут поглощать не только в обычной ультрафиолетовой части солнечного спектра, но и в высокоэнергетической видимой синей части спектра. В 2008 году Тулин и Гуэрра опубликовали моделирование, которое показало не только сдвиг запрещенной зоны, но и сдвиг края зоны, а также более высокую подвижность дырок для более низкой рекомбинации заряда. [20] Диоксид титана, разработанный с использованием запрещенной зоны, используется в качестве фотоанода в эффективном фотолитическом и фотоэлектрохимическом производстве водородного топлива из солнечного света и воды.

Кремниевая нанофотоника

Кремниевая фотоника — это основанная на кремнии подобласть нанофотоники, в которой наномасштабные структуры оптоэлектронных устройств реализованы на кремниевых подложках и способны управлять как светом, так и электронами. Они позволяют связать электронную и оптическую функциональность в одном устройстве. Такие устройства находят широкий спектр применений за пределами академических установок, [21] например, средне-инфракрасная и обертонная спектроскопия , логические вентили и криптография на чипе и т. д. [21]

По состоянию на 2016 год исследования в области кремниевой фотоники охватывали модуляторы света, оптические волноводы и межсоединения , оптические усилители , фотодетекторы , элементы памяти, фотонные кристаллы и т. д. Областью особого интереса являются кремниевые наноструктуры, способные эффективно генерировать электрическую энергию из солнечного света (например, для солнечных панелей ). [22]

Принципы

Плазмоны и металлооптика

Металлы являются эффективным способом ограничения света до значений, значительно меньших длины волны. Первоначально это использовалось в радио- и микроволновой технике , где металлические антенны и волноводы могут быть в сотни раз меньше длины волны в свободном пространстве. По той же причине видимый свет может быть ограничен наномасштабом 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 уменьшенные в 100 000 или более раз. В конце концов, радиоволны, микроволны и видимый свет — это электромагнитное излучение; они отличаются только частотой. Поэтому при прочих равных условиях микроволновая схема, уменьшенная в 100 000 раз, будет вести себя так же, но на частоте в 100 000 раз выше. [23] [24] Этот эффект в некоторой степени аналогичен громоотводу, где поле концентрируется на наконечнике. Технологическая область, которая использует взаимодействие света и металлов, называется плазмоника . В основе его лежит тот факт, что диэлектрическая проницаемость металла очень велика и отрицательна. На очень высоких частотах (вблизи и выше плазменной частоты , обычно ультрафиолетовой) диэлектрическая проницаемость металла не так велика, и металл перестает быть полезным для концентрации полей.

Изображение пятиэлементной антенны Яги-Уда, состоящей из облучателя, одного отражателя и трех директоров, изготовленной методом электронно-лучевой литографии , полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) . [25]

Например, исследователи создали нанооптические диполи и антенны Яги-Уда, по сути, по той же конструкции, которая используется для радиоантенн. [26] [27]

Металлические волноводы с параллельными пластинами (полосковые линии), сосредоточенно-постоянные элементы схемы , такие как индуктивность и емкость (на частотах видимого света , значения последней составляют порядка фемтогенри и аттофарад соответственно), и согласование импеданса дипольных антенн с линиями передачи , все известные методы на микроволновых частотах, являются некоторыми современными областями развития нанофотоники. Тем не менее, существует ряд очень важных различий между нанооптикой и уменьшенными микроволновыми схемами. Например, на оптической частоте металлы ведут себя гораздо меньше как идеальные проводники, а также демонстрируют интересные эффекты, связанные с плазмонами, такие как кинетическая индуктивность и поверхностный плазмонный резонанс . Аналогично, оптические поля взаимодействуют с полупроводниками принципиально иным образом, чем микроволны.

Оптика ближнего поля

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

В нанофотонике часто изучаются сильно локализованные источники излучения (дипольные излучатели, такие как флуоресцентные молекулы). Эти источники можно разложить на обширный спектр плоских волн с различными волновыми числами , которые соответствуют угловым пространственным частотам. Частотные компоненты с более высокими волновыми числами по сравнению с волновым числом света в свободном пространстве образуют исчезающие поля. Исчезающие компоненты существуют только в ближнем поле излучателя и распадаются без передачи чистой энергии в дальнее поле . Таким образом, субволновая информация от излучателя размывается; это приводит к дифракционному пределу в оптических системах. [28]

Нанофотоника в первую очередь занимается ближнепольными затухающими волнами. Например, суперлинза ( упомянутая выше) предотвратит затухание затухающей волны, что позволит получать изображения с более высоким разрешением.

Метаматериалы

Метаматериалы — это искусственные материалы, разработанные для того, чтобы иметь свойства, которые не могут быть найдены в природе. Они создаются путем изготовления массива структур, намного меньших длины волны. Малый (нано) размер структур важен: таким образом, свет взаимодействует с ними, как если бы они составляли однородную, непрерывную среду, а не рассеивался от отдельных структур.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Авад, Эхаб (21 августа 2019 г.). «Наноплазмонная оптическая система Bundt Optenna для широкополосного поляризационно-нечувствительного и улучшенного инфракрасного обнаружения». Scientific Reports . 9 (1): 12197. Bibcode :2019NatSR...912197A. doi : 10.1038/s41598-019-48648-6 . PMC  6704059 . PMID  31434970. S2CID  201105945.
  2. ^ ab Pohl, DW; Denk, W.; Lanz, M. (1984). «Оптическая стетоскопия: запись изображения с разрешением λ/20». Appl. Phys. Lett . 44 (7): 651–653. Bibcode :1984ApPhL..44..651P. doi : 10.1063/1.94865 .
  3. ^ Дюриг, У.; Поль, Д. В.; Ронер, Ф. (1986). «Оптическая сканирующая микроскопия ближнего поля». J. Appl. Phys . 59 (10): 3318–3327. Bibcode : 1986JAP....59.3318D. doi : 10.1063/1.336848.
  4. ^ Betzig, E.; Harootunian, A.; Isaacson, M.; Kratschmer, E. (1986). «Сканирующая оптическая микроскопия ближнего поля (NSOM)». Biophys. J . 49 (1): 269–279. Bibcode :1986BpJ....49..269B. doi :10.1016/s0006-3495(86)83640-2. PMC 1329633 . PMID  19431633. 
  5. ^ Хевакуруппу, Ясита Л.; Домбровский Леонид А.; Чен, Чуян; Тимченко, Виктория; Цзян, Сюйчуань; Пэк, Сун; Тейлор, Роберт А. (2013). «Плазмонный метод «насос-зонд» для исследования полупрозрачных наножидкостей». Прикладная оптика . 52 (24): 6041–6050. Бибкод : 2013ApOpt..52.6041H. дои : 10.1364/AO.52.006041. ПМИД  24085009.
  6. ^ Ассефа, Соломон; Ся, Фенгнянь; Власов, Юрий А. (2010). «Повторное изобретение германиевого лавинного фотодетектора для нанофотонных оптических соединений на кристалле». Nature . 464 (7285): 80–4. Bibcode :2010Natur.464...80A. doi :10.1038/nature08813. PMID  20203606. S2CID  4372660.
  7. ^ ab "Исследовательское открытие эфиопского ученого в IBM". Tadias Magazine . Получено 2010-03-15 .
  8. ^ Дюме, Изабель (2010-03-04). «Лавинный фотодетектор побил рекорд скорости». Physics World.
  9. ^ Сидиропулос, Фемистоклис PH; Рёдер, Роберт; Гебурт, Себастьян; Гесс, Ортвин; Майер, Стефан А.; Роннинг, Карстен; Оултон, Руперт Ф. (2014). «Сверхбыстрые плазмонные нанопроволочные лазеры вблизи поверхностной плазмонной частоты». Физика природы . 10 (11): 870–876. Бибкод : 2014NatPh..10..870S. дои : 10.1038/nphys3103. hdl : 10044/1/18641 . S2CID  121825602.Пресс-релиз Архивировано 25 декабря 2016 г. на Wayback Machine
  10. ^ Хэнд, Аарон. "Высокоиндексные линзы увеличивают погружение за пределы 32 нм". Архивировано из оригинала 29-09-2015 . Получено 27-09-2014 .
  11. ^ Pan, L.; Park, Y.; Xiong, Y.; Ulin-Avila, E.; Wang, Y.; Zeng, L.; Xiong, S.; Rho, J.; Sun, C.; Bogy, DB; Zhang, X. (2011). "Плазмонная литография без маски с разрешением 22 нм". Scientific Reports . 1 : 175. Bibcode :2011NatSR...1E.175P. doi :10.1038/srep00175. PMC 3240963 . PMID  22355690. 
  12. ^ "IBM Research | IBM Research | Silicon Integrated Nanophotonics". Domino.research.ibm.com. 2010-03-04 . Получено 2010-03-15 .
  13. ^ Ферри, Вивиан Э.; Мандей, Джереми Н.; Этуотер, Гарри А. (2010). «Конструктивные соображения для плазмонной фотоэлектрики». Advanced Materials . 22 (43): 4794–4808. Bibcode : 2010AdM....22.4794F. doi : 10.1002/adma.201000488. PMID  20814916. S2CID  20219632.
  14. ^ Саха, Танмой; Мондал, Джаянта; Хисте, Сачин; Лусич, Хрвое; Ху, Чжан-Вэй; Джаябалан, Рупарошни; Ходжеттс, Кевин Дж.; Джанг, Хаэлин; Сенгупта, Шиладитья; Ли, Сомин Юнис; Пак, Ёнгын; Ли, Люк П.; Гольдман, Аарон (24 июня 2021 г.). «Нанотерапевтические подходы к преодолению различных барьеров лекарственной устойчивости на моделях рака молочной железы». Нанофотоника . 10 (12): 3063–3073. Бибкод : 2021Nanop..10..142S. дои : 10.1515/nanoph-2021-0142 . ПМЦ 8478290 . ПМИД  34589378. 
  15. ^ Acuna, Guillermo; Grohmann, Dina; Tinnefeld, Philip (2014). «Усиление флуоресценции одиночных молекул с помощью нанофотоники». FEBS Letters . 588 (19): 3547–3552. doi : 10.1016/j.febslet.2014.06.016 . PMID  24928436.
  16. ^ Чжан, Р.; Чжан, Ю.; Донг, ZC; Цзян, С.; Чжан, К.; Чен, LG; Чжан, Л.; Ляо, Ю.; Айзпуруа, Дж.; Луо, Ю.; Ян, Дж.Л.; Хоу, JG (2013). «Химическое картирование одной молекулы с помощью плазмонно-усиленного комбинационного рассеяния света». Природа . 498 (7452): 82–86. Бибкод : 2013Natur.498...82Z. дои : 10.1038/nature12151. PMID  23739426. S2CID  205233946.
  17. ^ Гуэрра, Джон М. (1995-06-26). «Сверхразрешение через освещение дифракционными затухающими волнами». Applied Physics Letters . 66 (26): 3555–3557. Bibcode : 1995ApPhL..66.3555G. doi : 10.1063/1.113814. ISSN  0003-6951.
  18. ^ Гуэрра, Джон М. (1990-09-10). «Фотонная туннельная микроскопия». Прикладная оптика . 29 (26): 3741–3752. Bibcode : 1990ApOpt..29.3741G. doi : 10.1364/AO.29.003741. ISSN  2155-3165. PMID  20567479.
  19. ^ Гуэрра, Джон; Везенов, Дмитрий; Салливан, Пол; Хаймбергер, Вальтер; Тулин, Лукас (30.03.2002). «Оптическая запись в ближнем поле без низколетящих головок: интегральная оптическая (INFO) среда в ближнем поле». Японский журнал прикладной физики . 41 (часть 1, № 3B): 1866–1875. Bibcode : 2002JaJAP..41.1866G. doi : 10.1143/jjap.41.1866. ISSN  0021-4922. S2CID  119544019.
  20. ^ Тулин, Лукас; Герра, Джон (2008-05-14). "Расчеты структур полос модифицированного деформацией анатаза ${\text{TiO}}_{2}$". Physical Review B. 77 ( 19): 195112. doi :10.1103/PhysRevB.77.195112.
  21. ^ аб Карабчевский, Алина; Катийи, Авиад; Анг, Анджелин С.; Хазан, Адир (04 сентября 2020 г.). «Встроенная нанофотоника и будущие задачи». Нанофотоника . 9 (12): 3733–3753. Бибкод : 2020Nanop...9..204K. дои : 10.1515/nanoph-2020-0204 . ISSN  2192-8614.
  22. ^ "Кремниевая нанофотоника: основные принципы, современное состояние и перспективы, второе издание". Routledge & CRC Press . Получено 2021-08-31 .
  23. ^ 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. стр. 9–21. ISBN 981-02-4365-0.
  24. ^ Маркес Ламейриньяс, Рикардо А.; Н. Торрес, Жоау Паулу; Баптиста, Антониу; Маркиш Мартинс, Мария Жуан. «Новый анализ световых узоров в наноструктурах». Журнал IEEE Photonics . дои : 10.1109/JPHOT.2022.3227429 .
  25. ^ ван Хюлст, Ник. «Оптическая наноантенна контролирует излучение одиночных квантовых точек». 2физика.
  26. ^ Muhlschlegel, P.; Eisler, HJ; Martin, OJ; Hecht, B.; Pohl, DW (2005). «Резонансные оптические антенны». Science . 308 (5728): 1607–9. Bibcode :2005Sci...308.1607M. doi :10.1126/science.1111886. PMID  15947182. S2CID  40214874.
  27. ^ Дрегели, Дэниел; Таубер, Ричард; Дорфмюллер, Йенс; Фогельгесанг, Ральф; Керн, Клаус; Гиссен, Харальд (2011). «3D оптическая решетка наноантенн Яги – Уда». Природные коммуникации . 2 (267): 267. Бибкод : 2011NatCo...2..267D. дои : 10.1038/ncomms1268. ПМК 3104549 . ПМИД  21468019. 
  28. ^ Новотны, Лукас; Хехт, Берт (2012). Принципы нанооптики . Норвуд: Издательство Кембриджского университета . ISBN 9780511794193.
  • Платформа наноструктурирования ePIXnet для фотонной интеграции
  • Оптически индуцированный массоперенос в ближних полях
  • «Прорыв в области фотоники для кремниевых чипов: свет может оказывать достаточное воздействие, чтобы переключать переключатели на кремниевом чипе», Хонг С. Тан, IEEE Spectrum, октябрь 2009 г.
  • Нанофотоника, нанооптика и наноспектроскопия А. Дж. Мейкснер (ред.) Тематическая серия в открытом доступе Beilstein Journal of Nanotechnology
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Нанофотоника&oldid=1237717214"