Нанофотоника
| Часть серии статей о |
| Наноэлектроника |
|---|
| Одномолекулярная электроника |
| Твердотельная наноэлектроника |
| Связанные подходы |
| Порталы |
 Портал электроники |
Нанофотоника или нанооптика — это изучение поведения света в нанометровом масштабе и взаимодействия объектов нанометрового размера со светом. Это отрасль оптики , оптической техники , электротехники и нанотехнологий . Он часто включает в себя диэлектрические структуры, такие как наноантенны или металлические компоненты, которые могут транспортировать и фокусировать свет посредством 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
[ редактировать ]Обычные оптические компоненты, такие как линзы и микроскопы, обычно не могут фокусировать свет в нанометровых (глубоких субволновых ) масштабах из-за дифракционного предела ( критерий Рэлея ). Тем не менее, можно сжать свет в нанометровом масштабе, используя другие методы, такие как, например, поверхностные плазмоны , локализованные поверхностные плазмоны вокруг наноразмерных металлических объектов, а также наноразмерные апертуры и наноразмерные острые кончики, используемые в сканирующей оптической микроскопии ближнего поля (СНОМ или НСОМ) [2] [3] [4] и фотоассистированная сканирующая туннельная микроскопия . [5]
Приложение
[ редактировать ]Исследователи нанофотоники преследуют самые разнообразные цели: от биохимии до электротехники и безуглеродной энергетики. Некоторые из этих целей кратко изложены ниже.
Оптоэлектроника и микроэлектроника
[ редактировать ]Если свет можно втиснуть в небольшой объем, он может быть поглощен и обнаружен небольшим детектором. Небольшие фотодетекторы , как правило, обладают множеством желательных свойств, включая низкий уровень шума, высокую скорость, низкое напряжение и мощность. [6] [7] [8]
Маленькие 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). Очень маленькие лазеры требуют субволновых оптических резонаторов . Примером являются спазеры , поверхностно-плазмонная версия лазеров.
Интегральные схемы изготавливаются с помощью фотолитографии , то есть воздействия света. Чтобы сделать очень маленькие транзисторы, свет необходимо сфокусировать и получить чрезвычайно четкие изображения. Используя различные методы, такие как иммерсионная литография с фазовым сдвигом и фотомаски , действительно удалось сделать изображения намного тоньше, чем длина волны — например, рисуя линии длиной 30 нм с использованием света с длиной волны 193 нм. [10] Для этого приложения также были предложены плазмонные методы. [11]
Магнитная запись с подогревом — это нанофотонный подход к увеличению объема данных, которые может хранить магнитный диск. Для этого требуется, чтобы лазер нагрел крошечную субволновую область магнитного материала перед записью данных. 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 скорость и стоимость. Однако оптоэлектронные схемы можно миниатюризировать только в том случае, если оптические компоненты уменьшаются вместе с электронными компонентами. Это актуально для внутрикристальной оптической связи (т.е. передачи информации от одной части микрочипа к другой путем направления света через оптические волноводы вместо изменения напряжения на проводе). [7] [12]
Солнечные батареи
[ редактировать ]Солнечные элементы часто работают лучше всего, когда свет поглощается очень близко к поверхности, как потому, что электроны вблизи поверхности имеют больше шансов собраться, так и потому, что устройство можно сделать тоньше, что снижает стоимость. Исследователи исследовали различные нанофотонные методы для усиления света в оптимальных местах солнечного элемента. [13]
Контролируемое высвобождение противораковых препаратов
[ редактировать ]Нанофотоника также участвует в контролируемом и по требованию высвобождении противораковых терапевтических средств, таких как адриамицин, из нанопористых оптических антенн для воздействия на тройной негативный рак молочной железы и смягчения механизмов экзоцитоза, устойчивости к противораковым лекарственным препаратам и, следовательно, обхода токсичности для нормальных системных тканей и клетки. [14]
Спектроскопия
[ редактировать ]Использование нанофотоники для создания высоких пиковых интенсивностей : если определенное 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 комбинационное рассеяние света с усилением поверхности . Он также позволяет проводить чувствительные спектроскопические измерения даже отдельных молекул, расположенных в горячей точке, в отличие от традиционных методов спектроскопии, которые исследуют в среднем более миллионов или миллиардов молекул. [15] [16]
микроскопия
[ редактировать ]Одной из целей нанофотоники является создание так называемой « суперлинзы », которая будет использовать метаматериалы (см. ниже) или другие методы для создания изображений, точность которых превышает дифракционный предел (глубокая субволновая длина волны ). В 1995 году Герра продемонстрировал это, визуализировав кремниевую решетку с линиями и пространствами 50 нм при освещении с длиной волны 650 нм в воздухе. [17] Это было достигнуто путем соединения прозрачной фазовой решетки, имеющей линии и промежутки 50 нм (метаматериал), с объективом иммерсионного микроскопа (суперлинза).
Сканирующий оптический микроскоп ближнего поля (NSOM или SNOM) — это совершенно другой нанофотонный метод, который достигает той же цели: получение изображений с разрешением, намного меньшим, чем длина волны. Он включает в себя растровое сканирование очень острого кончика или очень маленькой апертуры на поверхности, подлежащей изображению. [2]
Микроскопия ближнего поля в более общем смысле относится к любому методу, использующему ближнее поле (см. Ниже) для достижения наномасштабного субволнового разрешения. В 1987 году Герра (работавший в Polaroid Corporation) добился этого с помощью несканирующего туннельного микроскопа Photon всего поля зрения. [18] В другом примере интерферометрия с двойной поляризацией имеет пикометрическое разрешение в вертикальной плоскости над поверхностью волновода. [ нужна ссылка ]
Оптическое хранилище данных
[ редактировать ]Нанофотоника в виде субволновых оптических структур ближнего поля, либо отдельных от носителя записи, либо интегрированных в носитель записи, использовалась для достижения оптической плотности записи, намного более высокой, чем позволяет дифракционный предел. [19] Эта работа началась в 1980-х годах в компании Polaroid Optical Engineering (Кембридж, Массачусетс) и продолжалась по лицензии в Calimetrics (Бедфорд, Массачусетс) при поддержке Программы передовых технологий NIST.
Инженерия запрещенной зоны
[ редактировать ]В 2002 году Герра (Nanoptek Corporation) продемонстрировал, что нанооптические структуры полупроводников демонстрируют сдвиг запрещенной зоны из-за наведенной деформации. В случае диоксида титана структуры с шириной полувысоты менее 200 нм будут поглощать не только обычную ультрафиолетовую часть солнечного спектра, но также и высокоэнергетический видимый синий цвет. В 2008 году Тулин и Герра 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 с модифицированной запрещенной зоной используется в качестве фотоанода в эффективном фотолитическом и фотоэлектрохимическом производстве водородного топлива из солнечного света и воды.
Кремниевая нанофотоника
[ редактировать ]Кремниевая фотоника - это раздел нанофотоники на основе кремния , в котором наноразмерные структуры оптоэлектронных устройств реализованы на кремниевых подложках и способны управлять как светом, так и электронами. Они позволяют объединить электронные и оптические функции в одном устройстве. Такие устройства находят широкое применение за пределами академических учреждений. [21] среднего инфракрасного и например, спектроскопия обертонного диапазона , логические элементы, криптография на чипе и т. д. [21]
По состоянию на 2016 год исследования в области кремниевой фотоники охватывали модуляторы света, оптические волноводы и соединители , оптические усилители , фотодетекторы , элементы памяти, фотонные кристаллы и т. д. Особый интерес представляют кремниевые наноструктуры, способные эффективно генерировать электрическую энергию из солнечного света (например, для солнечные панели ). [22]
Принципы
[ редактировать ]Плазмоны и металлооптика
[ редактировать ]Металлы — эффективный способ ограничить свет длиной волны намного ниже 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, кончики, зазоры и т. д. Многие конструкции нанооптики выглядят как обычные микроволновые или радиоволновые схемы, но уменьшены в размерах. сократилось в 100 000 и более раз. В конце концов, радиоволны, микроволны и видимый свет — это электромагнитное излучение; они отличаются только частотой. При прочих равных условиях микроволновая цепь, 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, у которого поле концентрируется на кончике. Область техники, использующая 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 быть полезен для концентрации полей.
Например, исследователи создали нанооптические диполи и антенны Яги-Уда , по сути, по той же конструкции, что и радиоантенны. [26] [27]
с параллельными пластинами Металлические волноводы с сосредоточенными параметрами, (полосковые линии), элементы схемы такие как индуктивность и емкость (на частотах видимого света значения последней порядка фемтогенри и аттофарад соответственно), а также согласование импеданса дипольных антенн с Линии передачи , всем известные методы на микроволновых частотах, являются некоторыми текущими областями развития нанофотоники. Тем не менее, существует ряд очень важных различий между нанооптикой и уменьшенными в размерах микроволновыми схемами. Например, на оптической частоте металлы ведут себя гораздо меньше как идеальные проводники, а также демонстрируют 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
[ редактировать ]Преобразование Фурье пространственного распределения поля состоит из различных пространственных частот . Более высокие пространственные частоты соответствуют очень мелким деталям и острым краям.
В нанофотонике сильно локализованные источники излучения (диполярные излучатели, такие как флуоресцентные часто изучаются молекулы). Эти источники можно разложить на обширный спектр плоских волн с различными волновыми числами , соответствующими угловым пространственным частотам. Частотные компоненты с более высокими волновыми числами по сравнению с волновым числом света в свободном пространстве образуют исчезающие поля. Затухающие 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 затухающими волнами ближнего поля. Например, суперлинза (упомянутая выше) предотвратила бы распад затухающей волны, позволяя получать изображения с более высоким разрешением.
Метаматериалы
[ редактировать ]Метаматериалы — это искусственные материалы, обладающие свойствами, которых нет в природе. Они создаются путем изготовления массива структур, размер которых намного меньше длины волны. Небольшой (нано) размер структур важен: таким образом свет взаимодействует с ними так, как будто они составляют однородную, непрерывную среду, а не рассеивается на отдельных структурах.
См. также
[ редактировать ]
- АСУ Фотоника
- Фотоника
- «Фотоника Спектры» Журнал
- Сверхпроизводительная нанофотонная внутричиповая связь
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Авад, Эхаб (21 августа 2019 г.). «Нано-плазмонная оптенна Бандта для широкополосного, нечувствительного к поляризации и улучшенного инфракрасного обнаружения» . Научные отчеты . 9 (1): 12197. Бибкод : 2019НатСР...912197А . дои : 10.1038/s41598-019-48648-6 . ПМК 6704059 . ПМИД 31434970 . S2CID 201105945 .
- ^ Перейти обратно: а б Пол, Д.В.; Денк, В.; Ланц, М. (1984). «Оптическая стетоскопия: запись изображений с разрешением λ/20» . Прил. Физ. Летт . 44 (7): 651–653. Бибкод : 1984ApPhL..44..651P . дои : 10.1063/1.94865 .
- ^ Дюриг, У.; Пол, Д.В.; Ронер, Ф. (1986). «Ближнепольная оптическая сканирующая микроскопия». Дж. Прил. Физ . 59 (10): 3318–3327. Бибкод : 1986JAP....59.3318D . дои : 10.1063/1.336848 .
- ^ Бетциг, Э.; Арутюнян А.; Исааксон, М.; Крачмер, Э. (1986). «Ближнепольная сканирующая оптическая микроскопия (НСОМ)» . Биофиз. Дж . 49 (1): 269–279. Бибкод : 1986BpJ....49..269B . дои : 10.1016/s0006-3495(86)83640-2 . ПМЦ 1329633 . ПМИД 19431633 .
- ^ 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 .
- ^ Ассефа, Соломон; Ся, Фэннянь; Власов, Юрий А. (2010). «Изобретение германиевого лавинного фотодетектора заново для нанофотонных внутрикристальных оптических межсоединений». Природа . 464 (7285): 80–4. Бибкод : 2010Natur.464...80A . дои : 10.1038/nature08813 . ПМИД 20203606 . S2CID 4372660 .
- ^ Перейти обратно: а б «Исследовательское открытие эфиопского ученого из IBM» . Журнал Тадиас . Проверено 15 марта 2010 г.
- ^ Дюме, Изабель (04 марта 2010 г.). «Лавинный фотодетектор бьет рекорд скорости» . Мир физики.
- ^ 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. в Wayback Machine.
- ^ Рука, Аарон. «Линзы с высоким коэффициентом преломления обеспечивают глубину погружения за пределы 32 нм» . Архивировано из оригинала 29 сентября 2015 г. Проверено 27 сентября 2014 г.
- ^ Пан, Л.; Парк, Ю.; Сюн, Ю.; Улин-Авила, Э.; Ван, Ю.; Цзэн, Л.; Сюн, С.; Ро, Дж.; Сан, К.; Боги, Д.Б.; Чжан, X. (2011). «Безмасочная плазмонная литография с разрешением 22 нм» . Научные отчеты . 1 : 175. Бибкод : 2011НатСР...1Е.175П . дои : 10.1038/srep00175 . ПМК 3240963 . ПМИД 22355690 .
- ^ «IBM Research | IBM Research | Кремниевая интегрированная нанофотоника» . Domino.research.ibm.com. 04.03.2010 . Проверено 15 марта 2010 г.
- ^ Ферри, Вивиан Э.; Мандей, Джереми Н.; Этуотер, Гарри А. (2010). «Аспекты проектирования плазмонных фотогальваники». Продвинутые материалы . 22 (43): 4794–4808. Бибкод : 2010AdM....22.4794F . дои : 10.1002/adma.201000488 . ПМИД 20814916 . S2CID 20219632 .
- ^ 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 .
- ^ Акуна, Гильермо; Громанн, Дина; Тиннефельд, Филип (2014). «Усиление флуоресценции одиночных молекул с помощью нанофотоники» . Письма ФЭБС . 588 (19): 3547–3552. дои : 10.1016/j.febslet.2014.06.016 . ПМИД 24928436 .
- ^ 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 . ПМИД 23739426 . S2CID 205233946 .
- ^ Герра, Джон М. (26 июня 1995 г.). «Сверхразрешение благодаря освещению затухающими волнами, рожденными дифракцией» . Письма по прикладной физике . 66 (26): 3555–3557. Бибкод : 1995АпФЛ..66.3555Г . дои : 10.1063/1.113814 . ISSN 0003-6951 .
- ^ Герра, Джон М. (10 сентября 1990 г.). «Фотонная туннельная микроскопия» . Прикладная оптика . 29 (26): 3741–3752. Бибкод : 1990ApOpt..29.3741G . дои : 10.1364/AO.29.003741 . ISSN 2155-3165 . ПМИД 20567479 .
- ^ Герра, Джон; Везенов Дмитрий; Салливан, Пол; Хаймбергер, Вальтер; Тулин, Лукас (30 марта 2002 г.). «Ближнепольная оптическая запись без низколетящих головок: интегральный ближнепольный оптический (INFO) носитель» . Японский журнал прикладной физики . 41 (Часть 1, № 3Б): 1866–1875. Бибкод : 2002JaJAP..41.1866G . дои : 10.1143/jjap.41.1866 . ISSN 0021-4922 . S2CID 119544019 .
- ^ Тулин, Лукас; Герра, Джон (14 мая 2008 г.). "Расчеты зонных структур деформированного анатаза ${\text{TiO}}_{2}$" . Физический обзор B . 77 (19): 195112. doi : 10.1103/PhysRevB.77.195112 .
- ^ Перейти обратно: а б Карабчевский, Алина; Теперь Авиад; Анджелин С.; Хазан, Адир (04 сентября 2020 г.). «Встроенная нанофотоника и будущие вызовы» . Нанофотоника . 9 (12): 3733–3753. Бибкод : 2020Nanop... 9..204K дои : 10.1515/nanoph-2020-0204 . ISSN 2192-8614 .
- ^ «Кремниевая нанофотоника: основные принципы, современное состояние и перспективы, второе издание» . Рутледж и CRC Press . Проверено 31 августа 2021 г.
- ^ Пол, Д.В. (2000). «Ближнепольная оптика рассматривается 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 .
- ^ Маркес Ламейриньяс, Рикардо А.; Н. Торрес, Жоау Паулу; БАПТИСТА, Антонио; МАРКЕС МАРТИНС, Мария Жуан. «Новый анализ световых узоров в наноструктурах» . Журнал IEEE Photonics . дои : 10.1109/JPHOT.2022.3227429 .
- ^ ван Хюлст, Ник. «Оптическая наноантенна контролирует излучение одиночной квантовой точки» . 2физика.
- ^ Мюльшлегель, П.; Эйслер, HJ; Мартин, О.Дж.; Хехт, Б.; Пол, Д.В. (2005). «Резонансные оптические антенны» . Наука . 308 (5728): 1607–9. Бибкод : 2005Sci...308.1607M . дои : 10.1126/science.1111886 . ПМИД 15947182 . S2CID 40214874 .
- ^ Дрегели, Дэниел; Таубер, Ричард; Дорфмюллер, Йенс; Пение птиц, 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 .
- ^ Новотный, Лукас; Хехт, Берт (2012). Принципы нанооптики . Норвуд: Издательство Кембриджского университета . ISBN 9780511794193 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Платформа наноструктурирования ePIXnet для фотонной интеграции
- Оптически индуцированный массоперенос в ближних полях
- «Прорыв в фотонике для кремниевых чипов: свет может оказывать достаточное воздействие на переключатели на кремниевом чипе», Хонг К. Тан, IEEE Spectrum, октябрь 2009 г.
- Нанофотоника, нанооптика и наноспектроскопия А. Дж. Мейкснер (ред.) Тематическая серия в открытом доступе Beilstein Journal of Nanotechnology
| Базы данных органов управления : Национальные |
|---|
