Нанофотоника
| Часть серии статей о |
| Наноэлектроника |
|---|
| Одномолекуля электроника |
| Твердотельная наноэлектроника |
| Связанные подходы |
| Порталы |
 Электронический портал |
Нанофотоника или нанооптика -это изучение поведения света в нанометровой шкале и взаимодействия объектов масштаба нанометра со светом. Это филиал оптики , оптической инженерии , электротехники и нанотехнологий . Он часто включает в себя диэлектрические структуры, такие как наноантена , или металлические компоненты, которые могут переносить и фокусировать свет через поляритоны поверхностного плазмона . [ 1 ]
Термин «нанооптика», точно так же, как термин «оптика», обычно относится к ситуациям, связанным с ультрафиолетовым , видимым и почти инфракрасным светом (длина волн свободного пространства от 300 до 1200 нанометров).
Фон
[ редактировать ]Нормальные оптические компоненты, такие как линзы и микроскопы, как правило, обычно не могут фокусировать свет на нанометр (глубокая длина подвол ), из -за предела дифракции ( критерий Рэлея ). Тем не менее, можно выжать свет в нанометровый шкалу, 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 оптической микроскопии на ближнем поле . НСОМ) [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] и фотосвязанная сканирующая туннельная микроскопия . [ 5 ]
Приложение
[ редактировать ]Исследователи для нанофотоники преследуют очень широкий спектр целей, в областях, от биохимии до электротехники до содержания углерода. Некоторые из этих целей приведены ниже.
Оптоэлектроника и микроэлектроника
[ редактировать ]Если свет можно сжать в небольшой объем, его можно поглощать и обнаружить небольшим детектором. Маленькие фотоприемники , как правило, обладают множеством желательных свойств, включая низкий уровень шума, высокую скорость и низкое напряжение и мощность. [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]
Маленькие лазеры имеют различные желаемые свойства для оптической связи, включая низкий пороговый ток (который помогает эффективность питания) и быстрая модуляция [ 9 ] (что означает больше передачи данных). Очень маленькие лазеры требуют субволны оптических полостей . Примером является спазера , поверхностная плазмонная версия лазеров.
Интегрированные схемы выполняются с использованием фотолитографии , т.е. экспозиция света. Чтобы сделать очень маленькие транзисторы, свет должен быть сосредоточен на чрезвычайно острых изображениях. Используя различные методы, такие как погружение литографии и сдвигающие фазовые фотомаски , действительно было возможно сделать изображения намного более тонкими, чем длина волны, например, рисование линий 30 нм с использованием света 193 нм. [ 10 ] Плазмонные методы также были предложены для этого применения. [ 11 ]
Магнитная запись с помощью тепла является нанофотоническим подходом к увеличению объема данных, которые может хранить магнитный диск. Для написания данных требуется лазер для нагрева крошечной, подволной длины магнитного материала. Магнитная направляющая головка будет иметь металлические оптические компоненты для концентрации света в правильном месте.
Миниатюризация в оптоэлектронике , например, миниатюризация транзисторов в интегрированных цепях , улучшила их скорость и стоимость. Тем не менее, оптоэлектронные схемы могут быть миниатюрными только в том случае, если оптические компоненты сокращаются вместе с электронными компонентами. на чипе Это имеет отношение к оптической связи (то есть передавая информацию из одной части микрочипа в другую, отправляя свет через оптические волноводы, вместо того, чтобы изменить напряжение на проводе). [ 7 ] [ 12 ]
Солнечные элементы
[ редактировать ]Солнечные элементы часто работают лучше всего, когда свет поглощается очень близко к поверхности, как потому, что электроны вблизи поверхности имеют больше шансов на собирать, и потому что устройство может быть более тонким, что снижает стоимость. Исследователи исследовали различные нанофотонические методы для усиления света в оптимальных местах в солнечном элементе. [ 13 ]
Контролируемое выпуск антикансионной терапии
[ редактировать ]Нанофотоника также участвует в оказании помощи контролируемому и по запросу высвобождения противораковых терапевтических средств, таких как адриамицин из нанопористых оптических антенн, для целевого тройного негативного рака молочной железы и смягчения экзоцитоза противораковых механизмов устойчивости к лекарственным средствам и, следовательно, обходит токсичность в нормальных тканях и ткани и экзоцитоз. ячейки [ 14 ]
Спектроскопия
[ редактировать ]Использование нанофотоники для создания высоких интенсивности пика : если заданное количество энергии света втиснуто в меньший и меньший объем («горячая точка»), интенсивность в горячей точке становится все больше и больше. Это особенно полезно в нелинейной оптике ; Примером является усиление комбинационного рассеяния . Это также позволяет измерять чувствительные спектроскопии даже отдельных молекул, расположенных в горячей точке, в отличие от традиционных методов спектроскопии, которые занимают в среднем на миллионы или миллиарды молекул. [ 15 ] [ 16 ]
Микроскопия
[ редактировать ]Одна цель нанофотоники-построить так называемые « суперленты », которые будут использовать метаматериалы (см. Ниже) или другие методы для создания изображений, которые являются более точными, чем предел дифракции (глубокая длина подвол ). В 1995 году Герра продемонстрировала это, изобразив кремниевую решетку, имеющую 50 нм линии и пространства с освещением, имеющей длину волны 650 нм в воздухе. [ 17 ] Это было достигнуто путем сочетания прозрачной фазовой решетки, имеющей линии 50 нм и пространства (метаматериал) с объективом погружного микроскопа (Superlens).
Сканирующий оптический микроскоп ближнего поля (NSOM или SNOM) представляет собой совершенно другую нанофотоническую технику, которая достигает той же цели снимания изображений с разрешением, намного меньшей, чем длина волны. Он включает в себя растровое сканирование очень острый кончик или очень маленькую апертуру по поверхности, которая будет изображена. [ 2 ]
Микроскопия ближнего поля относится к любому методику с использованием ближнего поля (см. Ниже) для достижения наноразмерного разрешения длины субволны. В 1987 году Герра (в то время как в Polaroid Corporation) достигла этого с помощью не сканирующего туннельного микроскопа всего поля. [ 18 ] В другом примере интерферометрия с двойной поляризацией имеет разрешение пикометра в вертикальной плоскости над поверхностью волновода. [ Цитация необходима ]
Оптическое хранение данных
[ редактировать ]Нанофотоника в форме субволновой длины оптических структур, отделенных от записывающей среды, либо интегрированной в записывающую среду, использовались для достижения плотности оптической записи, намного выше, чем допускает предел дифракции. [ 19 ] Эта работа началась в 1980 -х годах в Polaroid Optical Engineering (Кембридж, штат Массачусетс) и продолжил лицензию в Calimetrics (Бедфорд, штат Массачусетс) при поддержке программы Nist Advanced Technology.
Инженерная инженерия группы
[ редактировать ]В 2002 году Guerra (Nanoptek Corporation) продемонстрировала, что нанооптические структуры полупроводников демонстрируют сдвиги в зоне 7 В случае диоксида титана структуры на порядок менее 200 нм ширина половины высоты поглощаются не только в нормальной ультрафиолетовой части солнечного спектра, но и в высокоэнергетическом видимом синем. В 2008 году Thulin и Guerra опубликовали моделирование, которое продемонстрировало не только сдвиг в бандите, но также сдвиг полосы, а также более высокая подвижность дыр для рекомбинации с более низкой зарядкой. [ 20 ] Диоксид диоксида титана, инженерного полоса, используется в качестве фотоанода в эффективном фотолитическом и фотоэлектрохимическом производстве водородного топлива от солнечного света и воды.
Силиконовая нанофотоника
[ редактировать ]Силиконовая фотоника -это подполе нанофотоники на основе кремния , в котором наномасштабные структуры оптоэлектронных устройств, реализованных на кремниевых подложках и которые способны контролировать как свет, так и электроны. Они позволяют соединить электронную и оптическую функциональность в одном устройстве. Такие устройства находят широкий спектр применений за пределами академических условий, [ 21 ] EG в середине инфракрасной и обогревой спектроскопии , логические ворота и криптография на чипе и т. Д. [ 21 ]
По состоянию на 2016 год исследования в кремниевой фотонике охватывали модуляторы света, оптические волноводы и межконкторуторы , оптические усилители , фотоспункты , элементы памяти, фотонные кристаллы и т. Д. Особый интерес - наноструктуры силиконовых Солнечные панели ). [ 22 ]
Принципы
[ редактировать ]Плазмоны и металлическая оптика
[ редактировать ]Металлы являются эффективным способом ограничить свет далеко ниже длины волны. Первоначально это использовалось в радио и микроволновой инженерии , где металлические антенны и волноводы могут быть в сотни раз меньше, чем длина волны свободного пространства. По аналогичной причине видимый свет может быть ограничен наномасштабными с помощью нано-размером. вниз на 100 000 или более. В конце концов, радиовации, микроволны и видимый свет - все это электромагнитное излучение; Они различаются только по частоте. Таким образом, другие вещи равны, микроволновая схема сократилась в 100 000 человек, будет вести себя так же, но в 100 000 раз выше частоты. [ 23 ] [ 24 ] Этот эффект несколько аналогичен молнии, где поле концентрируется на кончике. Технологическое поле, которое использует взаимодействие между светом и металлами, называется плазмонкой . Это в основном основано на том факте, что диэлектрическая проницаемость металла очень большая и негативная. На очень высоких частотах (вблизи и над частотой плазмы , как правило, ультрафиолетовой) диэлектрическая проницаемость металла не такая большая, и металл останавливается полезным для концентрирующих полей.
Например, исследователи сделали нанооптические диполи и антенны Yagi-UDA , по существу, та же конструкция, что и для радиоантенн. [ 26 ] [ 27 ]
Металлические параллельные волноводы (полосатые линии), смиренные элементы цепи , такие как индуктивность и емкость (на видимых частотах света , значения последних из которых являются порядка фемтогеней и аттфорадов, соответственно), а также сопоставление диполевых антенн на диполевые антенны на диполевые антенны и аттфарады Линии передачи , все знакомые методы на микроволновых частотах, являются некоторыми текущими областями развития нанофотоники. Тем не менее, существует ряд очень важных различий между нанооптиками и масштабированными микроволновыми цепями. Например, на оптической частоте металлы ведут себя гораздо меньше, чем идеальные проводники, а также проявляют интересные последствия, связанные с плазмоном, такие как кинетическая индуктивность и поверхностный плазмонный резонанс . Аналогично, оптические поля взаимодействуют с полупроводниками в основном иначе, чем микроволны.
Оптика почти поля
[ редактировать ]Преобразование Фурье пространственного распределения поля состоит из разных пространственных частот . Более высокие пространственные частоты соответствуют очень тонким функциям и острым краям.
В нанофотонике сильно локализованные источники радиации (дипольные излучатели, такие как флуоресцентные часто изучаются молекулы). Эти источники могут быть разложены в обширный спектр плоских волн с различными волновыми средствами , которые соответствуют угловым пространственным частотам. Частотные компоненты с более высокими волнообразными по сравнению со свободным волновым числом световой формы. Удовлетворенные компоненты существуют только в ближнем поле эмиттера и распада без передачи чистой энергии на дальнее поле . Таким образом, информация по длине подвода от излучателя размыта; Это приводит к ограничению дифракции в оптических системах. [ 28 ]
Нанофотоника в первую очередь связана с волнами о проведении ближнего поля. Например, суперленты (упомянутые выше) предотвратят распад эванерстной волны, что позволяет визуализации с более высоким разрешением.
Метаматериалы
[ редактировать ]Метаматериалы - это искусственные материалы, разработанные для того, чтобы иметь свойства, которые не могут быть найдены в природе. Они создаются путем изготовления множества конструкций, намного меньших, чем длина волны. Небольшой (нано) размер структур важен: таким образом, свет взаимодействует с ними так, как будто они составляют равномерную непрерывную среду, а не рассеивая отдельные структуры.
Смотрите также
[ редактировать ]
- ACS Photonics
- Фотоника
- Photonics Spectra Journal
- Ультраскаментность нанофотоническая интрагипная связь
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Авад, Эхаб (21 августа 2019). «Нано-плазмонная оптенна Бундта для широкополосной поляризации нечувствительной и усиленного инфракрасного обнаружения» . Научные отчеты . 9 (1): 12197. Bibcode : 2019natsr ... 912197a . doi : 10.1038/s41598-019-48648-6 . PMC 6704059 . PMID 31434970 . S2CID 201105945 .
- ^ Jump up to: а беременный Пол, DW; Denk, W.; Ланц М. (1984). «Оптическая стетоскопия: запись изображения с разрешением λ/20» . Приложение Физический Летал 44 (7): 651–653. Bibcode : 1984Apphl..44..651p . doi : 10.1063/1,94865 .
- ^ Дюриг, U.; Пол, DW; Ронер Ф. (1986). «Оптическая сканирующая микроскопия ближнего поля». J. Appl. Физический 59 (10): 3318–3327. Bibcode : 1986Jap .... 59.3318d . doi : 10.1063/1.336848 .
- ^ Betzig, E.; Harootunian, A.; Исааксон, м.; Кратсхмер, Э. (1986). «Сканирующая оптическая микроскопия на поле (NSOM)» . Биофиз. Дж . 49 (1): 269–279. Bibcode : 1986bpj .... 49..269b . doi : 10.1016/s0006-3495 (86) 83640-2 . PMC 1329633 . PMID 19431633 .
- ^ Hewakuruppu, Yasitha L.; Домбровский, Леонид А.; Чен, Чуян; Тимченко, Виктория; Цзян, Сючуан; Baek, Sell; Тейлор, Роберт А. (2013). Метод "плазмонный" насос-пробел "для изучения полупрозрачных наножидкостей». Прикладная оптика . 52 (24): 6041–6050. Bibcode : 2013apt..52.6041h . doi : 10.1364/ao.52.006041 . PMID 24085009 .
- ^ Ассефа, Соломон; Ся, фэнньян; Власов, Юрий А. (2010). «Изобретение германия Лавина Фотографии для нанофотонических оптических соединений на чип». Природа . 464 (7285): 80–4. Bibcode : 2010natur.464 ... 80a . doi : 10.1038/nature08813 . PMID 20203606 . S2CID 4372660 .
- ^ Jump up to: а беременный «Обнаружение исследований эфиопского ученого в IBM» . Журнал Tadias . Получено 2010-03-15 .
- ^ Дюме, Изабель (2010-03-04). «Avalanche Photodetector пробивает скоростную запись» . Мир физики.
- ^ Sidiropoulos, Themistoklis ph; Роберт, Роберт; Гебурт, Себастьян; Гесс, Ортвин; Майер, Стефан А.; Роннинг, Карстен; Ултон, Руперт Ф. (2014). «Ультрастановные плазмонные нанопроволочные лазеры вблизи поверхностной частоты плазмон». Природа Физика . 10 (11): 870–876. Bibcode : 2014natph..10..870s . doi : 10.1038/nphys3103 . HDL : 10044/1/18641 . S2CID 121825602 . Пресс -релиз архив 25 декабря 2016 года на The Wayback Machine
- ^ Рука, Аарон. «Высокоиндексные линзы подталкивают погружение за пределы 32 нм» . Архивировано из оригинала 2015-09-29 . Получено 2014-09-27 .
- ^ Pan, L.; Парк, Y.; Xiong, Y.; Ulin-Avila, E.; Wang, y.; Zeng, L.; Xiong, S.; Rho, J.; Солнце, C.; Бодрый, дБ; Чжан, X. (2011). «Плазмонная литография без маски при разрешении 22 нм» . Научные отчеты . 1 : 175. Bibcode : 2011natsr ... 1e.175p . doi : 10.1038/srep00175 . PMC 3240963 . PMID 22355690 .
- ^ «IBM Research | IBM Research | Кремниевая интегрированная нанофотоника» . Domino.research.ibm.com. 2010-03-04 . Получено 2010-03-15 .
- ^ Ферри, Вивиан Э.; Мандей, Джереми Н.; Атуотер, Гарри А. (2010). «Расчетные соображения для плазмонной фотоэлектрики». Продвинутые материалы . 22 (43): 4794–4808. Bibcode : 2010Adm .... 22.4794f . doi : 10.1002/adma.201000488 . PMID 20814916 . S2CID 20219632 .
- ^ Саха, Танмоя; Мондал, Джаянта; Хист, Сачин; Lusic, Hrvoje; Ху, Чжан-Вей; Джаябалан, Рупарошни; Hodgetts, Kevin J.; Джанг, Халин; Сенгупта, Шиладитя; Ли, Содин Юнис; Парк, Янггюн; Ли, Люк П.; Голдман, Аарон (2021-06-24). «Нанотерапевтические подходы для преодоления различных барьеров лекарственной устойчивости в моделях рака молочной железы» . Нанофотоника . 10 (12): 3063–3073. Bibcode : 2021nanop..10..142S . doi : 10.1515/nanoph-2021-0142 . PMC 8478290 . PMID 34589378 .
- ^ Акуна, Гильермо; Громанн, Дина; Тиннефельд, Филипп (2014). «Увеличение флуоресценции одномолекулы с нанофотоникой» . Письма Febs . 588 (19): 3547–3552. doi : 10.1016/j.febslet.2014.06.016 . PMID 24928436 .
- ^ Чжан, Р.; Zhang, Y.; Донг, ZC; Jiang, S.; Чжан, С.; Чен, LG; Zhang, L.; Liao, y.; Aizpurua, J.; Luo, y.; Ян, JL; Hou, JG (2013). «Химическое картирование одной молекулы с помощью рамановского рассеяния с плазмоном». Природа . 498 (7452): 82–86. Bibcode : 2013natur.498 ... 82Z . doi : 10.1038/nature12151 . PMID 23739426 . S2CID 205233946 .
- ^ Герра, Джон М. (1995-06-26). «Супер -разрешение посредством освещения путем дифракционных эванерских волн» . Прикладные физические буквы . 66 (26): 3555–3557. Bibcode : 1995Apphl..66.3555g . doi : 10.1063/1.1138814 . ISSN 0003-6951 .
- ^ Герра, Джон М. (1990-09-10). «Фотонная туннельная микроскопия» . Прикладная оптика . 29 (26): 3741–3752. Bibcode : 1990appt..29.3741g . doi : 10.1364/ao.29.003741 . ISSN 2155-3165 . PMID 20567479 .
- ^ Герра, Джон; Везенов, Дмитрий; Салливан, Пол; Хаймбергер, Уолтер; Тулин, Лукас (2002-03-30). «Оптическая запись ближнего поля без низких головок: интегральные оптические (информационные) медиа» . 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 .
- ^ Тулин, Лукас; Герра, Джон (2008-05-14). «Расчеты модифицированной деформацией анатазы $ {\ text {tio}} _ {2} $ полосы структур» . Физический обзор б . 77 (19): 195112. DOI : 10.1103/physrevb.77.195112 .
- ^ Jump up to: а беременный Карабчевский, Алина; Катий, Авиад; Ang, Heleneene S.; Хазан, Адир (2020-09-04). «Нанофоны на чипе и будущие проблемы » Нофотоника 9 (12): 3733–3 Bibcode : 2020anop ... 9..204K Doi : 10.1515/nanoph- 2020-0 ISSN 2192-8
- ^ «Кремниевая нанофотоника: основные принципы, нынешний статус и перспективы, второе издание» . Routledge & Crc Press . Получено 2021-08-31 .
- ^ Пол, DW (2000). «Оптика почти поля рассматривается как проблема антенны». Оптика ближней поля: принципы и приложения / Второй Азиатско-Тихоокеанский семинар на ближней полевой оптике . Сингапур Нью -Джерси Лондон Гонконг: World Scientific. С. 9–21. ISBN 981-02-4365-0 .
- ^ Marques Lameirinhas, Ricardo A.; Н. Торрес, Жоу Паулу; Баптиста, Антонио; Маркес Мартинс, Мария Жоао. «Новый анализ световых узоров в нано -структурах» . IEEE Photonics Journal . Doi : 10.1109/jphot.2022.3227429 .
- ^ Ван Халст, Ник. «Оптическая нано-антенна контролирует отдельную эмиссию квантовой точки» . 2Physics.
- ^ Muhlschlegel, P.; Эйслер, HJ; Мартин, OJ; Hecht, B.; Пол, DW (2005). «Резонансные оптические антенны» . Наука . 308 (5728): 1607–9. Bibcode : 2005sci ... 308.1607m . doi : 10.1126/science.1111886 . PMID 15947182 . S2CID 40214874 .
- ^ Дрегели, Даниэль; Таубер, Ричард; Dorfmüller, Jens; Vogelgesang, Ralf; Керн, Клаус; Giessen, Harald (2011). "3D Optical Yagi -Auda Nanoantna Array" . Природная связь . 2 (267): 267. Bibcode : 2011natco ... 2..267d . Doi : 10.1038/nomms1268 . PMC 3104549 . PMID 21468019 .
- ^ Novotny, Lukas; Хехт, Берт (2012). Принципы нанооптики . Норвуд: издательство Кембриджского университета . ISBN 9780511794193 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Платформа наноструктуризации Epixnet для фотонной интеграции
- Оптически индуцированный массовый транспорт в близких областях
- «Фотоника прорыв для кремниевых чипов: свет может оказывать достаточно силы, чтобы переключаться на кремниевый чип», Hong X. Tang, IEEE Spectrum, октябрь 2009 г.
- Нанофотоника, нанооптика и наноспектроскопия AJ Meixner (ed.) Тематическая серия в открытом доступе Beilstein Journal of Nanotechnology
| Базы данных управления авторитетом : национальный |
|---|
