stringtranslate.com

Плазмонный метаматериал

Плазмонный метаматериал — это метаматериал , который использует поверхностные плазмоны для достижения оптических свойств, не наблюдаемых в природе. Плазмоны производятся при взаимодействии света с металл - диэлектрическими материалами. При определенных условиях падающий свет соединяется с поверхностными плазмонами, создавая самоподдерживающиеся распространяющиеся электромагнитные волны , известные как поверхностные плазмонные поляритоны (ПП). После запуска ПП колеблются вдоль интерфейса металл-диэлектрик. По сравнению с падающим светом ПП могут иметь гораздо более короткую длину волны. [1]

Свойства вытекают из уникальной структуры композитов металл-диэлектрик, с характеристиками, меньшими, чем длина волны света, разделенными субволновыми расстояниями. Свет, попадающий на такой метаматериал, преобразуется в поверхностные плазмонные поляритоны, которые короче по длине волны, чем падающий свет.

Плазмонные материалы

Плазмонные материалы — это металлы или металлоподобные [2] материалы, которые демонстрируют отрицательную действительную диэлектрическую проницаемость . Наиболее распространенными плазмонными материалами являются золото и серебро. Однако многие другие материалы демонстрируют металлоподобные оптические свойства в определенных диапазонах длин волн. [3] Различные исследовательские группы экспериментируют с различными подходами для создания плазмонных материалов, которые демонстрируют меньшие потери и настраиваемые оптические свойства.

Отрицательный индекс

Плазмонные метаматериалы являются реализациями материалов, впервые предложенных Виктором Веселаго, российским физиком-теоретиком, в 1967 году. Также известные как левосторонние или материалы с отрицательным показателем преломления, Веселаго предположил, что они будут проявлять оптические свойства, противоположные свойствам стекла или воздуха. В материалах с отрицательным показателем преломления энергия переносится в направлении, противоположном направлению распространения волновых фронтов , а не параллельно им, как в материалах с положительным показателем преломления. [4] [5]

Обычно свет, идущий, скажем, из воздуха в воду, изгибается при прохождении через нормаль (плоскость, перпендикулярную поверхности) и попадании в воду. Напротив, свет, достигающий материала с отрицательным показателем преломления через воздух, не пересечет нормаль. Скорее, он изгибается в противоположную сторону.

Отрицательное преломление было впервые описано для микроволновых и инфракрасных частот. Отрицательный показатель преломления в оптическом диапазоне был впервые продемонстрирован в 2005 году Шалаевым и др. (на телекоммуникационной длине волны λ = 1,5 мкм) [6] и Бруком и др. (на λ = 2 мкм) почти в одно и то же время. [7] В 2007 году совместная работа Калифорнийского технологического института и NIST сообщила об узкополосном отрицательном преломлении видимого света в двух измерениях. [4] [5]

Для создания этого отклика падающий свет соединяется с волнообразными, газообразными зарядами (плазмонами), обычно находящимися на поверхности металлов. Это фотон-плазмонное взаимодействие приводит к образованию SPP, которые генерируют интенсивные, локализованные оптические поля. Волны ограничиваются интерфейсом между металлом и изолятором. Этот узкий канал служит преобразующим проводником, который, по сути, улавливает и сжимает длину волны входящего света до доли ее исходного значения. [5]

Наномеханические системы, включающие метаматериалы, демонстрируют отрицательное давление излучения . [8]

Свет, падающий на обычные материалы с положительным показателем преломления, оказывает положительное давление, то есть он может отталкивать объект от источника света. Напротив, освещающие метаматериалы с отрицательным показателем преломления должны создавать отрицательное давление, которое притягивает объект к свету. [8]

Трехмерный отрицательный индекс

Компьютерное моделирование предсказывает плазмонные метаматериалы с отрицательным индексом в трех измерениях. Потенциальные методы изготовления включают многослойное осаждение тонкой пленки , фрезерование сфокусированным ионным пучком и самосборку . [8]

Индекс градиента

ПММ могут быть изготовлены с градиентным показателем преломления (материал, показатель преломления которого постепенно изменяется по длине или площади материала). Один из таких материалов включал нанесение термопластика , известного как ПММА , на золотую поверхность с помощью электронно-лучевой литографии .

Гиперболический

Гиперболические метаматериалы ведут себя как металл, когда свет проходит через них в одном направлении, и как диэлектрик, когда свет проходит в перпендикулярном направлении, что называется экстремальной анизотропией . Дисперсионное соотношение материала образует гиперболоид . Соответствующая длина волны в принципе может быть бесконечно малой. [9] Недавно гиперболические метаповерхности в видимой области были продемонстрированы с помощью серебряных или золотых наноструктур с помощью литографических методов. [10] [11] Описанные гиперболические устройства продемонстрировали множество функций для зондирования и визуализации, например, бездифракционные, отрицательное преломление и улучшенные эффекты плазмонного резонанса, обеспечиваемые их уникальными оптическими свойствами. [12] Эти особые свойства также крайне необходимы для изготовления интегрированных оптических метасхем для приложений квантовой информации.

Изотропия

Первые созданные метаматериалы проявляют анизотропию в своем воздействии на плазмоны, то есть действуют только в одном направлении.

Совсем недавно исследователи использовали новую технику самоскладывания для создания трехмерного массива разделенных кольцевых резонаторов , которые проявляют изотропию при вращении в любом направлении вплоть до угла падения 40 градусов. Воздействие воздуха на полоски никеля и золота, нанесенные на полимерную/кремниевую подложку, позволило механическим напряжениям свернуть полоски в кольца, образовав резонаторы. Расположив полоски под разными углами друг к другу, была достигнута 4-кратная симметрия, что позволило резонаторам производить эффекты в нескольких направлениях. [13] [14]

Материалы

Силиконовый сэндвич

Отрицательное преломление для видимого света было впервые получено в конструкции типа сэндвича с тонкими слоями. Изолирующий слой нитрида кремния был покрыт пленкой серебра и подложен еще одной пленкой золота. Критическим измерением является толщина слоев, которая в сумме составляла часть длины волны синего и зеленого света . Включая этот метаматериал в интегрированную оптику на микросхеме , отрицательное преломление было продемонстрировано на синих и зеленых частотах. Совокупный результат — относительно значительная реакция на свет. [4] [5]

Графен

Графен также вмещает поверхностные плазмоны, [15] наблюдаемые с помощью методов оптической микроскопии ближнего инфракрасного диапазона [16] [17] и инфракрасной спектроскопии . [18] Потенциальные приложения графеновой плазмоники включают частоты от терагерцового до среднего инфракрасного диапазона в таких устройствах, как оптические модуляторы , фотодетекторы и биосенсоры . [19]

Сверхрешетка

Гиперболический метаматериал, изготовленный из нитрида титана (металл) и нитрида алюминия-скандия (диэлектрик), имеет совместимые кристаллические структуры и может образовывать сверхрешетку , кристалл, который объединяет два (или более) материала. Материал совместим с существующей технологией CMOS (в отличие от традиционных золота и серебра), механически прочен и термически стабилен при более высоких температурах. Материал демонстрирует более высокую плотность фотонных состояний, чем Au или Ag. [20] Материал является эффективным поглотителем света. [21]

Материал был создан с помощью эпитаксии внутри вакуумной камеры с помощью техники, известной как магнетронное распыление . Материал имел сверхтонкие и сверхгладкие слои с острыми границами. [21]

Возможные применения включают «плоскую гиперлинзу », которая могла бы сделать оптические микроскопы способными видеть объекты размером с ДНК , усовершенствованные датчики, более эффективные солнечные коллекторы, нанорезонаторы, квантовые вычисления и фокусировку и визуализацию без дифракции. [21]

Материал работает в широком спектре от ближнего инфракрасного до видимого света. Ближний инфракрасный диапазон необходим для телекоммуникаций и оптической связи, а видимый свет важен для датчиков, микроскопов и эффективных твердотельных источников света. [21]

Приложения

Микроскопия

Одним из потенциальных применений является микроскопия за пределами дифракционного предела . [4] Плазмоника градиентного индекса использовалась для создания линз Люнеберга и Итона, которые взаимодействуют с поверхностными плазмонными поляритонами, а не с фотонами.

Теоретически суперлинза может превзойти дифракционный предел , который не позволяет стандартным (с положительным показателем преломления) линзам разрешать объекты, меньшие половины длины волны видимого света . Такая суперлинза будет захватывать пространственную информацию, которая находится за пределами поля зрения обычных оптических микроскопов . Было предложено несколько подходов к созданию такого микроскопа. Субволновая область может быть представлена ​​оптическими переключателями , модуляторами, фотодетекторами и направленными излучателями света. [22]

Биологическое и химическое зондирование

Другие рассматриваемые приложения для проверки концепции включают высокочувствительное биологическое и химическое зондирование . Они могут позволить разработать оптические датчики, которые используют ограничение поверхностных плазмонов в определенном типе нанорезонатора Фабри-Перо. Это специальное ограничение позволяет эффективно обнаруживать специфические связи целевых химических или биологических аналитов, используя пространственное перекрытие между оптической модой резонатора и лигандами аналита, связанными с боковыми стенками полости резонатора. Структуры оптимизируются с использованием электромагнитного моделирования во временной области с конечными разностями , изготавливаются с использованием комбинации электронно-лучевой литографии и гальванопокрытия и тестируются с использованием как ближнепольной, так и дальнепольной оптической микроскопии и спектроскопии . [4]

Оптические вычисления

Оптические вычисления заменяют электронные сигналы устройствами обработки света. [23]

В 2014 году исследователи объявили о создании 200-нанометрового терагерцового оптического переключателя. Переключатель изготовлен из метаматериала, состоящего из наночастиц диоксида ванадия ( VO
2), кристалл, который переключается между непрозрачной, металлической фазой и прозрачной, полупроводниковой фазой. Наночастицы осаждаются на стеклянной подложке и покрываются еще более мелкими золотыми наночастицами [24], которые действуют как плазмонный фотокатод . [25]

Фемтосекундные лазерные импульсы освобождают электроны в золотых частицах, которые прыгают в VO
2и вызвать субпикосекундное изменение фазы. [24]

Устройство совместимо с современной технологией интегральных схем, кремниевыми чипами и диэлектрическими материалами high-K. Оно работает в видимой и ближней инфракрасной области спектра. Оно генерирует всего 100 фемтоджоулей/бит/операцию, что позволяет плотно упаковывать переключатели. [24]

Фотоэлектричество

Металлы группы золота (Au, Ag и Cu) использовались в качестве прямых активных материалов в фотоэлектричестве и солнечных элементах. Материалы действуют одновременно как доноры электронов [26] и дырок [27] и, таким образом, могут быть помещены между слоями переноса электронов и дырок для создания фотоэлектрического элемента. В настоящее время эти фотоэлектрические элементы позволяют питать интеллектуальные датчики для платформы Интернета вещей (IoT). [28]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Kuttge, M.; Vesseur, E.; Koenderink, A.; Lezec, H.; Atwater, H.; García De Abajo, F.; Polman, A. (2009). "Локальная плотность состояний, спектр и дальняя интерференция поверхностных плазмонных поляритонов, исследованных с помощью катодолюминесценции" (PDF) . Physical Review B . 79 (11): 113405. Bibcode :2009PhRvB..79k3405K. doi :10.1103/PhysRevB.79.113405. hdl : 10261/54073 .
  2. ^ West, PR; Ishii, S.; Naik, GV; Emani, NK; Shalaev, VM; Boltasseva, A. (2010). «Поиск лучших плазмонных материалов». Laser & Photonics Reviews . 4 (6): 795–808. arXiv : 0911.2737 . Bibcode : 2010LPRv....4..795W. doi : 10.1002/lpor.200900055. S2CID  16887413.
  3. ^ Boltasseva, A. ; Atwater, HA (2011). "Плазмонные метаматериалы с малыми потерями". Science . 331 (6015): 290–291. Bibcode :2011Sci...331..290B. doi :10.1126/science.1198258. PMID  21252335. S2CID  206530073.
  4. ^ abcde Исследователи NIST, Nanofabrication Research Group (2009-08-20). "Трехмерные плазмонные метаматериалы". Национальный институт науки и технологий . Получено 14 февраля 2011 г.
  5. ^ abcd Lezec, HJ; Dionne, JA; Atwater, HA (2007). "Отрицательное преломление на видимых частотах" (PDF) . Science . 316 (5823): 430–2. Bibcode :2007Sci...316..430L. CiteSeerX 10.1.1.422.9475 . doi :10.1126/science.1139266. PMID  17379773. S2CID  35189301. 
  6. ^ Шалаев, В.М.; Цай, В.; Четтиар, Великобритания; Юань, Х.-К.; Сарычев, АК; Драчев, ВП; Кильдишев, АВ (2005). "Отрицательный показатель преломления в оптических метаматериалах" (PDF) . Optics Letters . 30 (24): 3356–8. arXiv : physics/0504091 . Bibcode :2005OptL...30.3356S. doi :10.1364/OL.30.003356. PMID  16389830. S2CID  14917741.
  7. ^ Чжан, Шуан; Фань, Вэньцзюнь; Панойу, NC; Маллой, KJ; Осгуд, RM ; Брюк, SRJ (2005). "Экспериментальная демонстрация метаматериалов с отрицательным показателем преломления в ближнем инфракрасном диапазоне" (PDF) . Phys. Rev. Lett. 95 (13): 137404. arXiv : physics/0504208 . Bibcode : 2005PhRvL..95m7404Z. doi : 10.1103/PhysRevLett.95.137404. PMID  16197179. S2CID  15246675.
  8. ^ abc Lezec, Henri J.; Chau, Kenneth J. "Отрицательное давление излучения" (PDF) . Получено 2011-02-14 . {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  9. ^ Гиперболические метаматериалы, объясненные за 5 минут на YouTube
  10. ^ Хай, А.; и др. (2015). «Видимочастотная гиперболическая метаповерхность». Nature . 522 (7555): 192–196. Bibcode :2015Natur.522..192H. doi :10.1038/nature14477. PMID  26062510. S2CID  205243865.
  11. ^ Цзян, Л.; и др. (2017). «Многофункциональная гиперболическая наноканавочная метаповерхность для субмолекулярного обнаружения». Small . 13 (30): 1700600. doi :10.1002/smll.201700600. PMID  28597602.
  12. ^ Такаяма, О.; Лавриненко, А. В. (2019). «Оптика с гиперболическими материалами» (PDF) . Журнал оптического общества Америки B. 36 ( 8): F38–F48. doi :10.1364/JOSAB.36.000F38. S2CID  149698994.
  13. ^ «Как создать метаматериалы, работающие во всех направлениях | KurzweilAI». www.kurzweilai.net .
  14. ^ Чэнь, Че-Чин; Ишикава, Ацуши; Тан, Ю-Сян; Шиао, Мин-Хуа; Цай, Дин Пин; Танака, Такуо (январь 2015 г.). «Одноосные изотропные метаматериалы с использованием трехмерных резонаторов с разделенными кольцами». Advanced Optical Materials . 3 (1): 44–48. doi :10.1002/adom.201400316. S2CID  94970778.
  15. ^ Zeng, S.; et al. (2015). «Архитектуры метаповерхности графена и золота для сверхчувствительного плазмонного биосенсора». Advanced Materials . 27 (40): 1–7. Bibcode :2015AdM....27.6163Z. doi :10.1002/adma.201501754. hdl : 10220/38683 . PMID  26349431. S2CID  205261271.
  16. ^ Чен, Дж; Бадиоли, М; Алонсо-Гонсалес, П; Тонграттанасири, С; Хут, Ф; Осмонд, Дж; Спасенович, М; Сентено, А; Пескера, А; Годиньон, П; Элорза, Аризона; Камара, Н.; Гарсия; де Абахо, Ф.Дж.; Хилленбранд, Р.; Коппенс, Ф.Х. (2012). «Оптическое наноизображение графеновых плазмонов с перестраиваемыми затворами». Природа . 487 (7405): 77–81. arXiv : 1202.4996 . Бибкод : 2012Natur.487...77C. дои : 10.1038/nature11254. PMID  22722861. S2CID  4431470.
  17. ^ Fei, Z.; Rodin, AS; Andreev, GO; Bao, W.; McLeod, AS; Wagner, M.; Zhang, LM; Zhao, Z.; Thiemens, M.; Dominguez, G.; Fogler, MM; Castro Neto, AH; Lau, CN; Keilmann, F.; Basov, DN (5 июля 2012 г.). "Gate-tuning of graphene plasmons revealed by infrared nano-imaging". Nature . 487 (7405): 82–5. arXiv : 1202.4993 . Bibcode :2012Natur.487...82F. doi :10.1038/nature11253. PMID  22722866. S2CID  4348703.
  18. ^ Янь, Хуген; Лоу, Тони; Чжу, Вэньцзюань; У, Яньцин; Фрейтаг, Маркус; Ли, Сюэсонг; Гвинея, Франциско; Авоурис, Фаедон; Ся, Фэннянь (2013). «Пути затухания плазмонов среднего инфракрасного диапазона в графеновых наноструктурах». Nature Photonics . 7 (5): 394–399. arXiv : 1209.1984 . Bibcode :2013NaPho...7..394Y. doi :10.1038/nphoton.2013.57. S2CID  119225015.
  19. ^ Low, T.; Avouris, P. (2014). «Графеновая плазмоника для терагерцового и среднего инфракрасного диапазонов». ACS Nano . 8 (2): 1086–101. arXiv : 1403.2799 . Bibcode : 2014arXiv1403.2799L. doi : 10.1021/nn406627u. PMID  24484181. S2CID  8151572.
  20. ^ Гурурадж В. Наик и др. (2014). «Эпитаксиальные сверхрешетки с нитридом титана в качестве плазмонного компонента для оптических гиперболических метаматериалов». Труды Национальной академии наук . 111 (21): 7546–7551. Bibcode : 2014PNAS..111.7546N. doi : 10.1073/pnas.1319446111 . PMC 4040552. PMID  24821762 . 
  21. ^ абвг "«Гиперболические метаматериалы» ближе к реальности». KurzweilAI. 15 мая 2014 г.
  22. ^ Pacifici, Domenico; Lezec, Henri J.; Sweatlock, Luke A.; Walters, Robert J.; Atwater, Harry A. (2008). "Универсальные особенности оптической передачи в периодических и квазипериодических массивах отверстий" (PDF) . Optics Express . 16 (12): 9222–38. Bibcode :2008OExpr..16.9222P. doi : 10.1364/OE.16.009222 . PMID  18545635.
  23. ^ Яррис, Линн (2009-08-20). "GRIN Plasmonics…" (Интернет-пресс-релиз) . Национальная лаборатория Министерства энергетики США, управляемая Калифорнийским университетом . Получено 15 февраля 2011 г.
  24. ^ abc "Наноразмерный оптический переключатель преодолевает барьер миниатюризации". KurzweilAI. 18 марта 2014 г. Получено 19 апреля 2015 г.
  25. ^ Каннатассен Аппавоо и др. (2014). «Сверхбыстрый фазовый переход через катастрофический коллапс фононов, вызванный плазмонной инжекцией горячих электронов». Nano Letters . 14 (3): 1127–1133. Bibcode : 2014NanoL..14.1127A. doi : 10.1021/nl4044828. PMID  24484272.
  26. ^ Sá, Jacinto; et al. (2013). «Прямое наблюдение разделения зарядов на локализованных поверхностных плазмонах Au». Energy & Environmental Science . 6 (12): 3584–3588. doi :10.1039/c3ee42731e.
  27. ^ Tagliabue, Giulia (2020). «Сверхбыстрая инжекция горячих дырок изменяет динамику горячих электронов в гетероструктурах Au/P-GaN». Nature Materials . 19 (12): 1312–1318. arXiv : 1810.04238 . Bibcode :2020NatMa..19.1312T. doi :10.1038/s41563-020-0737-1. PMID  32719510. S2CID  53121725.
  28. ^ "Солнечная энергия Peafowl | ДЕЛАЕМ ЭНЕРГИЮ ПРЕКРАСНОЙ".

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки