Плазмонный метаматериал
Плазмонный метаматериал — это метаматериал , который использует поверхностные плазмоны для достижения оптических свойств, не встречающихся в природе. Плазмоны образуются в результате взаимодействия света с металлодиэлектрическими материалами . При определенных условиях падающий свет соединяется с поверхностными плазмонами, создавая самоподдерживающиеся распространяющиеся электромагнитные волны , известные как поверхностные плазмон-поляритоны (ППП). После запуска СЭС колеблются по границе раздела металл-диэлектрик. По сравнению с падающим светом длина волны SPP может быть намного короче. [ 1 ]
Эти свойства обусловлены уникальной структурой металлодиэлектрических композитов, элементы которой меньше длины волны света и разделены субволновыми расстояниями. Свет, попадающий на такой метаматериал, преобразуется в поверхностные плазмонные поляритоны, длина волны которых короче, чем у падающего света.
Плазмонные материалы
[ редактировать ]Плазмонные материалы – это металлы или металлоподобные материалы. [ 2 ] материалы, обладающие отрицательной реальной диэлектрической проницаемостью . Наиболее распространенными плазмонными материалами являются золото и серебро. Однако многие другие материалы проявляют оптические свойства, подобные металлам, в определенных диапазонах длин волн. [ 3 ] Различные исследовательские группы экспериментируют с различными подходами к созданию плазмонных материалов, демонстрирующих меньшие потери и настраиваемые оптические свойства.
Отрицательный индекс
[ редактировать ]Плазмонные метаматериалы представляют собой реализацию материалов, впервые предложенных Виктором Веселаго, российским физиком-теоретиком, в 1967 году. Также известные как левосторонние или материалы с отрицательным преломлением, 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 случае с материалами с положительным показателем. [ 4 ] [ 5 ]
Обычно свет, идущий, скажем, из воздуха в воду, изгибается при прохождении через нормаль (плоскость, перпендикулярную поверхности) и попадая в воду. Напротив, свет, достигающий материала с отрицательным индексом через воздух, не пересекает нормальный. Скорее, он будет изгибаться в противоположную сторону.
Впервые об отрицательном преломлении было сообщено для микроволновых и инфракрасных частот. Отрицательный показатель преломления в оптическом диапазоне впервые был продемонстрирован в 2005 году Шалаевым и др. (на длине волны телекоммуникаций λ = 1,5 мкм) [ 6 ] и Брюк и др. (при λ = 2 мкм) почти в одно и то же время. [ 7 ] В 2007 году сотрудничество Калифорнийского технологического института и NIST сообщило об узкополосном отрицательном преломлении видимого света в двух измерениях. [ 4 ] [ 5 ]
Чтобы создать этот отклик, 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 границей раздела между металлом и изолятором. Этот узкий канал служит преобразующим проводником, который, по сути, улавливает и сжимает длину волны падающего света до доли ее первоначального значения. [ 5 ]
Наномеханические системы, включающие метаматериалы, обладают отрицательным радиационным давлением . [ 8 ]
Свет, падающий на обычные материалы с положительным показателем преломления, оказывает положительное давление, а это означает, что он может оттолкнуть объект от источника света. Напротив, освещающие метаматериалы с отрицательным показателем преломления должны создавать отрицательное давление, которое притягивает объект к свету. [ 8 ]
Трехмерный отрицательный индекс
[ редактировать ]Компьютерное моделирование предсказывает плазмонные метаматериалы с отрицательным индексом в трех измерениях. Потенциальные методы изготовления включают осаждение многослойных тонких пленок , фрезерование сфокусированным ионным лучом и самосборку . [ 8 ]
Индекс градиента
[ редактировать ]ПММ могут быть изготовлены с градиентным показателем (материал, показатель преломления которого постепенно меняется по длине или площади материала). Один из таких материалов заключался в нанесении термопластика , известного как ПММА , на поверхность золота посредством электронно-лучевой литографии .
гиперболический
[ редактировать ]Гиперболические метаматериалы ведут себя как металл, когда свет проходит через него в одном направлении, и как диэлектрик, когда свет проходит в перпендикулярном направлении, что называется крайней анизотропией . материала Дисперсионный коэффициент образует гиперболоид . Соответствующая длина волны в принципе может быть бесконечно малой. [ 9 ] Недавно гиперболические метаповерхности в видимой области были продемонстрированы с помощью наноструктур серебра или золота с помощью литографических методов. [ 10 ] [ 11 ] Сообщаемые гиперболические устройства продемонстрировали множество функций для зондирования и визуализации, например, отсутствие дифракции, отрицательное преломление и усиленные эффекты плазмонного резонанса, что стало возможным благодаря их уникальным оптическим свойствам. [ 12 ] Эти специфические свойства также крайне необходимы для изготовления интегральных оптических метасхем для квантовых информационных приложений.
Изотропия
[ редактировать ]Первые созданные метаматериалы проявляют анизотропию воздействия на плазмоны. Т.е. они действуют только в одном направлении.
Совсем недавно исследователи использовали новую технику самоскладывания для создания трехмерного массива резонаторов с разъемным кольцом , который демонстрирует изотропию при вращении в любом направлении вплоть до угла падения 40 градусов. Воздействие воздуха на полоски никеля и золота, нанесенные на полимерно-кремниевую подложку, позволило механическим напряжениям скрутить полоски в кольца, образуя резонаторы. Путем расположения полос под разными углами друг к другу была достигнута 4-кратная симметрия, что позволило резонаторам создавать эффекты в нескольких направлениях. [ 13 ] [ 14 ]
Материалы
[ редактировать ]Силиконовый сэндвич
[ редактировать ]Отрицательное преломление видимого света впервые было получено в виде сэндвича с тонкими слоями. Изолирующий лист нитрида кремния был покрыт пленкой серебра и подложен пленкой золота. Критическим размером является толщина слоев, которая в сумме составляет доли длины волны синего и зеленого света . Благодаря включению этого метаматериала во встроенную оптику микросхемы было продемонстрировано отрицательное преломление на синих и зеленых частотах. Коллективный результат — относительно значительная реакция на свет. [ 4 ] [ 5 ]
Графен
[ редактировать ]Графен также содержит поверхностные плазмоны. [ 15 ] наблюдается с помощью ближней инфракрасной оптической микроскопии методов [ 16 ] [ 17 ] и инфракрасная спектроскопия . [ 18 ] Потенциальные применения графеновой плазмоники включают частоты от терагерцового до среднего инфракрасного диапазона в таких устройствах, как оптические модуляторы , фотодетекторы и биосенсоры . [ 19 ]
сверхрешетка
[ редактировать ]Гиперболический метаматериал, изготовленный из нитрида титана (металла) и нитрида алюминия-скандия (диэлектрика), имеет совместимые кристаллические структуры и может образовывать сверхрешетку — кристалл, объединяющий два (или более) материала. Материал совместим с существующей технологией КМОП (в отличие от традиционного золота и серебра), механически прочен и термически стабилен при более высоких температурах. Материал демонстрирует более высокие фотонные плотности состояний, чем Au или Ag. [ 20 ] Материал является эффективным поглотителем света. [ 21 ]
Материал был создан с помощью эпитаксии внутри вакуумной камеры с помощью метода, известного как магнетронное распыление . Материал имел ультратонкие и сверхгладкие слои с четкими границами раздела. [ 21 ]
Возможные применения включают в себя «плоскую гиперлинзу », которая позволит оптическим микроскопам видеть объекты размером с ДНК , усовершенствованные датчики, более эффективные солнечные коллекторы, нанорезонаторы, квантовые вычисления , а также 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
[ редактировать ]микроскопия
[ редактировать ]Одним из потенциальных приложений является микроскопия за пределами дифракционного предела . [ 4 ] Плазмоника градиентного индекса использовалась для создания линз Люнебурга и Итона, которые взаимодействуют с поверхностными плазмон-поляритонами, а не с фотонами.
Теоретически суперлинза может превысить дифракционный предел (с положительным преломлением) , который не позволяет стандартным линзам разрешать объекты размером менее половины длины волны видимого света . Такая суперлинза сможет улавливать пространственную информацию, которая находится за пределами поля зрения обычных оптических микроскопов . Было предложено несколько подходов к созданию такого микроскопа. Субволновая область может представлять собой оптические переключатели , модуляторы, фотодетекторы и излучатели направленного света. [ 22 ]
Биологическое и химическое зондирование
[ редактировать ]Другие рассматриваемые приложения для проверки концепции включают высокочувствительное биологическое и химическое зондирование . Они могут позволить разработать оптические датчики, которые будут использовать удержание поверхностных плазмонов внутри определенного типа нанорезонатора Фабри-Перо. Такое индивидуальное ограничение позволяет эффективно обнаруживать специфические связывания целевых химических или биологических аналитов, используя пространственное перекрытие между режимом оптического резонатора и лигандами аналита, связанными с боковыми стенками полости резонатора. Структуры оптимизируются с помощью во временной области с конечной разностью электромагнитного моделирования , изготавливаются с использованием комбинации электронно-лучевой литографии и гальваники как в ближнем, так и в дальнем поле и тестируются с использованием оптической микроскопии и спектроскопии . [ 4 ]
Оптические вычисления
[ редактировать ]Оптические вычисления заменяют электронные сигналы устройствами обработки света. [ 23 ]
В 2014 году исследователи анонсировали оптический переключатель со скоростью 200 нанометров и терагерца. Переключатель изготовлен из метаматериала, состоящего из наноразмерных частиц диоксида ванадия ( VO
2 ), кристалл, который переключается между непрозрачной металлической фазой и прозрачной полупроводниковой фазой. Наночастицы осаждаются на стеклянную подложку и покрываются еще более мелкими наночастицами золота. [ 24 ] которые действуют как плазмонный фотокатод . [ 25 ]
Фемтосекундный лазер излучает свободные электроны в частицах золота, которые прыгают в VO.
2 и вызывают субпикосекундное изменение фазы. [ 24 ]
Устройство совместимо с современными технологиями интегральных схем, кремниевыми чипами и с высоким содержанием K. диэлектрическими материалами Он работает в видимой и ближней инфракрасной области спектра. Он генерирует всего 100 фемтоджоулей/бит/операцию, что позволяет плотно упаковать переключатели. [ 24 ]
Фотовольтаика
[ редактировать ]Металлы группы золота (Au, Ag и Cu) используются в качестве прямых активных материалов в фотоэлектрических элементах и солнечных элементах. Материалы действуют одновременно как электроны [ 26 ] и донор дырок, [ 27 ] и, таким образом, может быть помещен между слоями переноса электронов и дырок, чтобы создать фотоэлектрический элемент. В настоящее время эти фотоэлектрические элементы позволяют питать интеллектуальные датчики для платформы Интернета вещей (IoT). [ 28 ]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Каттге, М.; Вессер, Э.; Кендеринк, А.; Лежец, Х.; Этуотер, Х.; Гарсиа Де Абахо, Ф.; Полман, А. (2009). «Локальная плотность состояний, спектр и интерференция в дальней зоне поверхностных плазмонных поляритонов, исследованных методом катодолюминесценции» (PDF) . Физический обзор B . 79 (11): 113405. Бибкод : 2009PhRvB..79k3405K . дои : 10.1103/PhysRevB.79.113405 . hdl : 10261/54073 .
- ^ Уэст, PR; Исии, С.; Наик, Г.В.; Эмани, Северная Каролина; Шалаев В.М.; Болтассева, А. (2010). «В поисках лучших плазмонных материалов». Обзоры лазеров и фотоники . 4 (6): 795–808. arXiv : 0911.2737 . Бибкод : 2010ЛПРв....4..795Вт . дои : 10.1002/lpor.200900055 . S2CID 16887413 .
- ^ Болтасева, А. ; Этуотер, ХА (2011). «Плазмонные метаматериалы с низкими потерями». Наука . 331 (6015): 290–291. Бибкод : 2011Sci...331..290B . дои : 10.1126/science.1198258 . ПМИД 21252335 . S2CID 206530073 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и Исследователи НИСТ, Исследовательская группа по нанотехнологиям (20 августа 2009 г.). «Трехмерные плазмонные метаматериалы» . Национальный институт науки и технологий . Проверено 14 февраля 2011 г.
В этой статье использованы общедоступные материалы из Трехмерные плазмонные метаматериалы . Национальный институт стандартов и технологий .
- ^ Перейти обратно: а б с д Лежец, HJ; Дионн, Дж.А.; Этуотер, ХА (2007). «Отрицательное преломление на видимых частотах» (PDF) . Наука . 316 (5823): 430–2. Бибкод : 2007Sci...316..430L . CiteSeerX 10.1.1.422.9475 . дои : 10.1126/science.1139266 . ПМИД 17379773 . S2CID 35189301 .
- ^ Шалаев В.М.; Кай, В.; Четтиар, Великобритания; Юань, Х.-К.; Сарычев А.К.; Драчев, вице-президент; Кильдишев, А.В. (2005). «Отрицательный показатель преломления в оптических метаматериалах» (PDF) . Оптические письма . 30 (24): 3356–8. arXiv : физика/0504091 . Бибкод : 2005OptL...30.3356S . дои : 10.1364/OL.30.003356 . ПМИД 16389830 . S2CID 14917741 .
- ^ Чжан, Шуан; Фань, Вэньцзюнь; Панойу, Северная Каролина; Маллой, К.Дж.; Осгуд, РМ ; Брюк, SRJ (2005). «Экспериментальная демонстрация метаматериалов с отрицательным индексом ближнего инфракрасного диапазона» (PDF) . Физ. Преподобный Летт. 95 (13): 137404. arXiv : физика/0504208 . Бибкод : 2005PhRvL..95m7404Z . doi : 10.1103/PhysRevLett.95.137404 . ПМИД 16197179 . S2CID 15246675 .
- ^ Перейти обратно: а б с Лезек, Анри Ж.; Чау, Кеннет Дж. «Отрицательное радиационное давление» (PDF) . Проверено 14 февраля 2011 г.
{{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется|journal=( помощь ) - ^ Гиперболические метаматериалы, объясненные за 5 минут на YouTube.
- ^ Высокий, А.; и др. (2015). «Гиперболическая метаповерхность видимой частоты». Природа . 522 (7555): 192–196. Бибкод : 2015Natur.522..192H . дои : 10.1038/nature14477 . ПМИД 26062510 . S2CID 205243865 .
- ^ Цзян, Л.; и др. (2017). «Многофункциональная гиперболическая метаповерхность с наноканавками для субмолекулярного обнаружения» . Маленький . 13 (30): 1700600. doi : 10.1002/smll.201700600 . ПМИД 28597602 .
- ^ Такаяма, О.; Лавриненко, А.В. (2019). «Оптика с гиперболическими материалами» (PDF) . Журнал Оптического общества Америки Б. 36 (8): Ф38–Ф48. дои : 10.1364/JOSAB.36.000F38 . S2CID 149698994 .
- ^ «Как создавать метаматериалы, работающие во всех направлениях | KurzweilAI» . www.kurzweilai.net .
- ^ Чен, Че-Чин; Исикава, Ацуши; Тан, Ю-Сян; Шиао, Мин-Хуа; Цай, Дин Пин; Танака, Такуо (январь 2015 г.). «Одноосно-изотропные метаматериалы с помощью трехмерных разъемных кольцевых резонаторов». Передовые оптические материалы . 3 (1): 44–48. дои : 10.1002/adom.201400316 . S2CID 94970778 .
- ^ Цзэн, С.; и др. (2015). «Архитектура метаповерхности графен-золото для сверхчувствительного плазмонного биосенсорства» . Продвинутые материалы . 27 (40): 1–7. Бибкод : 2015AdM....27.6163Z . дои : 10.1002/adma.201501754 . hdl : 10220/38683 . ПМИД 26349431 . S2CID 205261271 .
- ^ Чен, Дж; Бадиоли, М; Алонсо-Гонсалес, П; Тонграттанасири, С; Хут, Ф; Осмонд, Дж; Спасенович, М; Рожь, А; Рыбалка, А; Годиньон, П; Элорза, Аризона; Камера, Н; Гарсия; из Ниже, Ф.Дж.; Хилленбранд, Р.; Коппенс, Ф.Х. (2012). «Оптическое наноизображение графеновых плазмонов с перестраиваемыми затворами». Природа 487 (7405): 77–81. arXiv : 1202.4996 . Бибкод : 2012Природа.487...77C . дои : 10.1038/nature11254 . ПМИД 22722861 . S2CID 4431470 .
- ^ Фей, З.; Роден, А.С.; Андреев, ГО; Бао, В.; Маклеод, А.С.; Вагнер, М.; Чжан, LM; Чжао, З.; Тименс, М.; Домингес, Г.; Фоглер, ММ; Кастро Нето, АХ; Лау, Китай; Кейльманн, Ф.; Басов Д.Н. (5 июля 2012 г.). «Настройка ворот графеновых плазмонов, обнаруженная с помощью инфракрасного наноизображения». Природа . 487 (7405): 82–5. arXiv : 1202.4993 . Бибкод : 2012Natur.487...82F . дои : 10.1038/nature11253 . ПМИД 22722866 . S2CID 4348703 .
- ^ Ян, Хьюген; Лоу, Тони; Чжу, Вэньцзюань; У, Яньцин; Фрайтаг, Маркус; Ли, Сюэсун; Гвинея, Франциско; Авурис, Федон; Ся, Фэннянь (2013). «Пути затухания плазмонов среднего инфракрасного диапазона в графеновых наноструктурах». Природная фотоника . 7 (5): 394–399. arXiv : 1209.1984 . Бибкод : 2013NaPho...7..394Y . дои : 10.1038/nphoton.2013.57 . S2CID 119225015 .
- ^ Лоу, Т.; Авурис, П. (2014). «Графеновая плазмоника для приложений от терагерцового до среднего инфракрасного диапазона». АСУ Нано . 8 (2): 1086–101. arXiv : 1403.2799 . Бибкод : 2014arXiv1403.2799L . дои : 10.1021/nn406627u . ПМИД 24484181 . S2CID 8151572 .
- ^ Гурурадж В. Наик; и др. (2014). «Эпитаксиальные сверхрешетки с нитридом титана как плазмонный компонент для оптических гиперболических метаматериалов» . Труды Национальной академии наук . 111 (21): 7546–7551. Бибкод : 2014PNAS..111.7546N . дои : 10.1073/pnas.1319446111 . ПМК 4040552 . ПМИД 24821762 .
- ^ Перейти обратно: а б с д « Гиперболические метаматериалы ближе к реальности». КурцвейлАИ. 15 мая 2014 г.
- ^ Пасифичи, Доменико; Лезек, Анри Ж.; Свитлок, Люк А.; Уолтерс, Роберт Дж.; Этуотер, Гарри А. (2008). «Особенности универсальной оптической передачи в периодических и квазипериодических массивах отверстий» (PDF) . Оптика Экспресс . 16 (12): 9222–38. Бибкод : 2008OExpr..16.9222P . дои : 10.1364/OE.16.009222 . ПМИД 18545635 .
- ^ Яррис, Линн (20 августа 2009 г.). «ГРИН Плазмоника…» (Интернет-выпуск) . Национальная лаборатория Министерства энергетики США, управляемая Калифорнийским университетом . Проверено 15 февраля 2011 г.
- ^ Перейти обратно: а б с «Наноразмерный оптический переключатель преодолевает барьер миниатюризации» . КурцвейлАИ. 18 марта 2014 года . Проверено 19 апреля 2015 г.
- ^ Каннатассен Аппаву; и др. (2014). «Сверхбыстрый фазовый переход посредством катастрофического коллапса фононов, вызванного плазмонной инжекцией горячих электронов». Нано-буквы . 14 (3): 1127–1133. Бибкод : 2014NanoL..14.1127A . дои : 10.1021/nl4044828 . ПМИД 24484272 .
- ^ Са, Хасинто; и др. (2013). «Прямое наблюдение разделения зарядов на локализованных поверхностных плазмонах Au». Энергетика и экология . 6 (12): 3584–3588. дои : 10.1039/c3ee42731e .
- ^ Тальябуэ, Джулия (2020). «Сверхбыстрая инжекция горячих дырок изменяет динамику горячих электронов в гетероструктурах Au / P-GaN». Природные материалы . 19 (12): 1312–1318. arXiv : 1810.04238 . Бибкод : 2020NatMa..19.1312T . дои : 10.1038/s41563-020-0737-1 . ПМИД 32719510 . S2CID 53121725 .
- ^ «Солнечная энергия Peafowl | СДЕЛАЕМ ЭНЕРГИЮ КРАСИВОЙ» .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Гарсиа-Видаль, Ф.Дж.; Мартин-Морено, Л; Пендри, Дж. Б. (2005). «Поверхности с дырками: новые плазмонные метаматериалы» (бесплатная загрузка PDF) . Журнал оптики A: Чистая и прикладная оптика . 7 (2): С97. Бибкод : 2005JOptA...7S..97G . дои : 10.1088/1464-4258/7/2/013 .
- Эббесен, ТВ; Лежец, HJ; Гаэми, ХФ; Тио, Т.; Вольф, Пенсильвания (1998). «Необычайная оптическая передача через массивы субволновых отверстий» (бесплатная загрузка в формате PDF) . Природа . 391 (6668): 667–669. Бибкод : 1998Natur.391..667E . дои : 10.1038/35570 . S2CID 205024396 .
- Барнс, WL; Дере, А; Эббесен, Т.В. (2003). «Субволновая оптика поверхностных плазмонов» (скачать бесплатно в формате PDF) . Природа . 424 (6950): 824–30. Бибкод : 2003Natur.424..824B . дои : 10.1038/nature01937 . ПМИД 12917696 . S2CID 116017 .
- Барнс, WL (2011). «Металлические метаматериалы и плазмоника» . Философские труды Королевского общества . 369 (1950): 3431–3433. Бибкод : 2011RSPTA.369.3431B . дои : 10.1098/rsta.2011.0185 . ISSN 1471-2962 . ПМИД 21807718 . Выпуск встречи Тео Мерфи, организованный и отредактированный Уильямом Л. Барнсом.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Плазмонные метаматериалы – От микроскопов до плащей-невидимок . 21 января 2011 г. PhysOrg.com.