Nanofotonika - Nanophotonics

A folyóiratról lásd: Nanophotonics (folyóirat) .
A cikksorozat része
Nanoelektronika
Egymolekulás elektronika
Szilárdtest nanoelektronika
Kapcsolódó megközelítések

Nanofotonikát vagy nano-optika a tanulmány a viselkedését fény a nanométeres skálán, és a kölcsönhatás a nanométer méretű tárgyak fénnyel. Ez az optika , az optikai mérnökség , az elektrotechnika és a nanotechnológia ága . Gyakran dielektromos szerkezeteket, például nanoantennákat vagy fémes alkatrészeket tartalmaz, amelyek felszíni plazmon -polaritonokon keresztül képesek fényt szállítani és fókuszálni .

A "nanooptika" kifejezés, csakúgy, mint az "optika", általában olyan helyzetekre utal, amelyek ultraibolya , látható és közel infravörös fényt tartalmaznak (szabad tér hullámhossza 300 és 1200 nanométer között).

Háttér

A normál optikai alkatrészek, például a lencsék és a mikroszkópok, általában nem tudják a fényt nanométeres ( mélyhullámhosszú ) skálára fókuszálni a diffrakciós határ miatt ( Rayleigh -kritérium ). Mindazonáltal lehetőség van arra, hogy a fényt nanométeres skálába préseljük más technikákkal, például felszíni plazmonokkal , lokalizált felületi plazmonokkal a nanoméretű fémtárgyak körül, valamint a nanoméretű nyílásokkal és éles csúcsokkal, amelyeket a közeli szkennelési optikai mikroszkópiában (SNOM vagy NSOM) és fotóasszisztens pásztázó alagútmikroszkópia .

Alkalmazás

A nanofotonika kutatói nagyon sokféle célt követnek, a biokémiától az elektrotechnikáig. E célok közül néhányat az alábbiakban foglalunk össze.

Optoelektronika és mikroelektronika

Ha a fényt kis térfogatba lehet préselni, akkor egy kis detektor elnyeli és észleli. A kis fényérzékelők általában számos kívánatos tulajdonsággal rendelkeznek, beleértve az alacsony zajszintet, a nagy sebességet, valamint az alacsony feszültséget és teljesítményt.

A kis lézerek különféle kívánatos tulajdonságokkal rendelkeznek az optikai kommunikációhoz, beleértve az alacsony küszöbértékű áramot (ami segíti az energiahatékonyságot) és a gyors modulációt (ami több adatátvitelt jelent). A nagyon kicsi lézerekhez szubhullámú optikai üregekre van szükség . Példa erre a spaasers , a lézerek felszíni plazmon változata.

Az integrált áramkörök fotolitográfiával készülnek , azaz fénynek kitéve. Nagyon kis tranzisztorok készítéséhez a fényt rendkívül éles képekre kell összpontosítani. Különféle technikák, például merülő litográfia és fázisváltó fotomaszkok használatával valóban sikerült a hullámhossznál sokkal finomabb képeket készíteni-például 30 nm-es vonalakat rajzolni 193 nm-es fény segítségével. Plazmonikus technikákat is javasoltak erre az alkalmazásra.

A hőtámogatott mágneses rögzítés nanofotonikus módszer a mágneses lemezmeghajtó által tárolható adatmennyiség növelésére. Az adatok írása előtt lézer szükséges a mágneses anyag apró, hullámhossz alatti területének felmelegítéséhez. A mágneses írófejben fém optikai alkatrészek lennének, amelyek a fényt a megfelelő helyre koncentrálják.

Az optoelektronika miniatürizálása, például az integrált áramkörökben lévő tranzisztorok miniatürizálása javította azok sebességét és költségét. Az optoelektronikai áramkörök azonban csak akkor miniatürizálhatók, ha az optikai alkatrészek az elektronikus alkatrészekkel együtt zsugorodnak. Ez a chipen belüli optikai kommunikáció szempontjából releváns (azaz az információ továbbítása a mikrochip egyik részéről a másikra azáltal, hogy fényt küld az optikai hullámvezetőkön, ahelyett, hogy megváltoztatná a vezeték feszültségét).

Napelemek

A napelemek gyakran akkor működnek a legjobban, ha a fény nagyon közel kerül a felszínhez, mind azért, mert a felület közelében lévő elektronok nagyobb eséllyel gyűlnek össze, mind azért, mert az eszköz vékonyabbá tehető, ami csökkenti a költségeket. A kutatók számos nanofotonikus technikát vizsgáltak a fény fokozására a napelemek optimális helyein.

A rákellenes gyógyszerek szabályozott felszabadulása

A nanofotonikában szerepet játszott továbbá a rákellenes terápiák, például az adriamycin szabályozott és igény szerinti felszabadulásának elősegítése nanopórusos optikai antennákból a hármas-negatív emlőrák megcélzása és az exocitózis rákellenes gyógyszer-rezisztencia mechanizmusainak enyhítése érdekében, és ezáltal a normál szisztémás szövetekre és sejtek.

Spektroszkópia

A nanofotonika használata magas csúcsintenzitások létrehozásához : Ha egy adott mennyiségű fényenergiát egyre kisebb térfogatba préselnek ("hot-spot"), akkor a hot-spot intenzitása egyre nagyobb lesz. Ez különösen hasznos a nemlineáris optikában ; egy példa a felületen javított Raman szórás . Lehetővé teszi még a forró ponton elhelyezkedő egyes molekulák érzékeny spektroszkópiai mérését is, ellentétben a hagyományos spektroszkópiai módszerekkel, amelyek átlagosan több millió vagy milliárd molekulát vesznek igénybe.

Mikroszkópia

A nanofotonika egyik célja egy úgynevezett " szuperlencse " felépítése , amely metamateriális anyagok (lásd alább) vagy más technikák felhasználásával hoz létre olyan képeket, amelyek pontosabbak, mint a diffrakciós határ (mély szubhullámhossz ).

A közeli mezőt pásztázó optikai mikroszkóp (NSOM vagy SNOM) egy egészen más nanofotonikus technika, amely ugyanazt a célt éri el, mint a hullámhossznál jóval kisebb felbontású képek készítése. Ez magában foglalja a nagyon éles csúcs vagy nagyon kis nyílás raszteres szkennelését a képen látható felületen.

A közeli mező mikroszkópia általánosságban utal minden olyan technikára, amely a közeli mezőt használja (lásd alább) a nanoméretű, szubhullámú felbontás eléréséhez. Például a kettős polarizációjú interferometria pikométer felbontással rendelkezik a hullámvezető felülete feletti függőleges síkban.

Szilícium nanofotonika

Fő cikk: Szilícium fotonika

Silicon fotonika egy szilícium -alapú almező a nanofotonikát amelyben nanoméretű struktúrák az optoelektronikai eszközök realizált szilícium szubsztrátok és amelyek képesek irányítani mind a könnyű és elektronok. Lehetővé teszik az elektronikus és optikai funkciók egyetlen eszközben történő összekapcsolását. Az ilyen eszközök sokféle alkalmazást találnak az akadémiai környezeten kívül, pl. Közepes infravörös és felülhang spektroszkópia , logikai kapuk és kriptográfia a chipen stb.

2016 -tól a szilícium -fotonikában a fénymodulátorok, optikai hullámvezetők és összekötők , optikai erősítők , fényérzékelők , memóriaelemek, fotonikus kristályok stb. Kutatása folyik. Különösen érdekesek a szilícium -nanostruktúrák, amelyek hatékonyan képesek villamos energiát előállítani napfényből (pl. napelemek ).

Alapelvek

Plazmonok és fémoptikák

Főbb cikkek: Plazmonika és Felszíni plazmon

A fémek hatékony módja annak, hogy a fényt messze a hullámhossz alá korlátozzák. Ezt eredetileg a rádió- és mikrohullámú mérnöki munkák során használták , ahol a fémantennák és hullámvezetők több százszor kisebbek lehetnek a szabad tér hullámhosszánál. Hasonló okból kifolyólag a látható fény a nanoméretre korlátozódhat nanoméretű fémszerkezeteken keresztül, például nanoméretű szerkezeteken, csúcsokon, réseken stb. 100 000 -es vagy annál nagyobb szorzóval csökkent. Végül is a rádióhullámok, a mikrohullámok és a látható fény mind elektromágneses sugárzás; csak gyakoriságban különböznek egymástól. Tehát a többi dolog megegyezik: a 100 000 -szeresére lecsökkent mikrohullámú áramkör ugyanúgy fog viselkedni, de 100 000 -szer nagyobb gyakorisággal. Ez a hatás némileg hasonló a villámhárítóhoz, ahol a mező a csúcson koncentrálódik. Azt a technológiai területet, amely a fény és a fémek kölcsönhatását használja ki, plazmonikának nevezzük . Alapvetően azon a tényen alapul, hogy a fém permittivitása nagyon nagy és negatív. Nagyon magas frekvenciákon (a plazmafrekvencia közelében és felett , általában ultraibolya) a fém permittivitása nem olyan nagy, és a fém leáll, hogy hasznos legyen a mezők koncentrálásában.

Pásztázó elektronmikroszkópos (SEM) kép egy öt elemből álló Yagi-Uda antennáról, amely egy adagolóelemből, egy reflektorból és három irányítóból áll, e-beam litográfiával .

Például a kutatók nanooptikai dipólusokat és Yagi – Uda antennákat készítettek, lényegében ugyanazzal a kialakítással, mint a rádióantennák.

Fémes párhuzamos lemezes hullámvezetők (szalagból), koncentrált-konstans áramköri elemek, mint induktivitás és kapacitás (a látható fény frekvencián, az értékek az utóbbi a sorrendben femtohenries és attofarads, rendre), és impedancia-illesztése dipólus antennák , hogy az átviteli vonalak , a mikrohullámú frekvenciákon jól ismert technikák, a nanofotonika fejlődésének néhány jelenlegi területe. Ennek ellenére számos nagyon fontos különbség van a nanooptika és a kicsinyített mikrohullámú áramkörök között. Például optikai frekvencián a fémek sokkal kevésbé viselkednek, mint az ideális vezetők, és érdekes plazmonokkal kapcsolatos hatásokat is mutatnak, mint például a kinetikus induktivitás és a felszíni plazmonrezonancia . Hasonlóképpen, az optikai mezők alapvetően más módon kölcsönhatásba lépnek a félvezetőkkel , mint a mikrohullámok.

Közeli mező optika

Főbb cikkek: Közeli mező optika és Közeli és távoli mező

A térbeli eloszlás Fourier -transzformációja különböző térbeli frekvenciákból áll . A magasabb térfrekvenciák megfelelnek a nagyon finom jellemzőknek és éles éleknek.

A nanofotonikában gyakran tanulmányozzák az erősen lokalizált sugárforrásokat ( dipoláris kibocsátók, például fluoreszkáló molekulák). Ezek a források a síkhullámok széles spektrumára bonthatók , különböző hullámszámokkal , amelyek megfelelnek a szögletes térbeli frekvenciáknak. A fény hullámszámaival magasabb hullámszámú frekvenciakomponensek elmúló mezőkből állnak. Elavuló komponensek csak az emitter és a bomlás közeli mezejében léteznek, anélkül, hogy a nettó energiát a távoli mezőre továbbítanák . Így az emitter alhullámhosszú információi elmosódnak; ez az diffrakciós határértéket eredményezi az optikai rendszerekben.

A nanofotonika elsősorban a közeli mezei elmúló hullámokkal foglalkozik. Például egy szuperlencse (fent említett) megakadályozná az elmúló hullám bomlását, lehetővé téve a nagyobb felbontású képalkotást.

Metaanyagok

Fő cikk: Metamaterial

A metaanyagok olyan mesterséges anyagok, amelyeket olyan tulajdonságokra terveztek, amelyek a természetben nem találhatók meg. Egy hullámhossznál sokkal kisebb szerkezetek gyártásával jönnek létre. A szerkezetek kis (nano) mérete fontos: így a fény úgy lép kölcsönhatásba velük, mintha egységes, folyamatos közeget alkotnának, ahelyett, hogy szétszórnák az egyes szerkezeteket.

Lásd még

Hivatkozások

Külső linkek