Что такое нанофотоника кратко

Обновлено: 18.05.2024

В области инфокоммуникационных технологий нанофотонику рассматривают как альтернативу современной электронике. Применение фотонов, а не электронов, при передаче и обработке информации дает существенные преимущества из-за большого быстродействия и устойчивости к помехам фотонных каналов связи.

Что такое нанофотоника?

Нанофотоникой называют раздел фотоники, который рассматривает процессы, проявляющиеся при взаимодействии света с очень малыми объектами.

Целью нанофотоники считают создание материалов с новыми оптическими свойствами, которые позволили бы сконструировать фотонные устройства.

К устройствам нанофотоники причисляют объекты, применяющие элементы, размер которых меньше, чем $10^$ м. Эти устройства решают проблемы уменьшения размеров большого числа оптических систем, которые содержат:

  • волноводы,
  • резонаторы,
  • интерферометры и др.

Вычислительные устройства, использующие нанофотоные объекты, существенно превосходят электронные аналоги в области быстродействия. Они дают возможность обойти проблемы, которые связаны с выделением тепла и электропитанием в вычислительных системах.

Проблемой при использовании устройств нанофотоники является на сегодняшний день отсутствие надежных электрооптических переключателей, которые позволяли бы преобразовывать электрические сигналы в оптические и обратно.

Оптические наноматериалы

Наноматериалы имеют ряд особенностей, которые определяют их уникальные оптические и электропроводящие свойства:

  1. Очень малый размер, переход от твёрдого тела с его зонной структурой к обособленным электронным уровням, ограничение длины свободного пробега носителей из-за влияния кластерной поверхности приводят к изменениям правил отбора мод и вызывают к жизни новые оптические переходы. Изменяется энергии переходов, время флюоресценции и люминесценции, увеличивается силы осцилляторов.
  2. Матрица и вещество в котором находятся кластеры. Наноматериалы являются основой для создания светоперестраиваемых диодов и лазеров, у которых можно изменять длину волны. Создание определенного порядка из нанокластреов дает возможность получить фотонные кристаллы, обладающие постоянной решеткой, размер которой сравним с длиной световой волны.
  3. Оптические свойства наночастиц полупроводниковых элементов и самих материалов существенно отличаются. Оптические спектры поглощения, при уменьшении частицы, претерпевают сдвиг в голубую сторону (сторона уменьшения длины волны). Фотоны, имеющие энергию равную и больше, чем ширина запрещенной зоны полупроводника, способны создавать электронно-дырочные пары. Электрон и дырка перемещаются независимо друг от друга. В некоторых случаях возникают экситоны. Они не влияют на проводимость электричества. Появление экситонов происходит легче в квантовых ямах, поскольку нахождение в ограниченных областях усиливает эффект перекрытия волновых функций электронов и дырок.

Готовые работы на аналогичную тему

Экситоны – электрически нейтральные частицы, которые образованы электроном и дыркой в полупроводнике благодаря взаимодействию зарядов противоположного знака.

Наночастицы обладают некоторыми особенностями при поглощении и рассеивании света. Данные особенности проявляются в экспериментах с большим количеством наночастиц. Так, при поглощении света в тонкозернистых пленках металлов в видимой части спектра возникают пики поглощения, которых нет в массе металла.

Наноплазмоника

Оптика внутриволновой зоны излучения (или наноплазмоника), основывается на физических механизмах возбуждения поверхностных плазмонов (ПП) в металлах при их облучении импульсами видимого света.

Поверхностными плазмонами называют связанные колебания электромагнитного поля и электронов проводимости, которые распространяются по поверхности проводника (вдоль нее).

Иногда ПП интерпретируют как электромагнитные волны, которые захватила поверхность металла в результате взаимодействия электронами проводимости. При этом взаимодействии свободные электроны совместно реагируют на силовое действие поля и их осцилляции приходят в резонанс с волной света. Гибридность поверхностного плазмона отражена в иное его наименовании: плазмон-полярон. В этом случае плазмон относят к колебаниям заряда на поверхности проводника, а полярон относят к электромагнитному полю в диэлектрике. Волновой вектор в проекции на ось $X$ (направление его распространения) можно записать как:

где$ ε_1$; $ε_2$ – диэлектрические проницаемости диэлектрика и проводника.

Эксперименты выявили принципиальные изменения при прохождении света сквозь наноотверстия в металлах, которые указывают на резкое увеличение (в сравнении с обычной оптикой) коэффициентов прохождения сигнала света и его усиление. Кроме этого, наноструктурирование веществ около нанощелей и применение наноотверстий ведут к изменению спектра и направления излучения. Так, данные материалы принципиальным образом изменяют наши представления о прохождении света сквозь вещество.

Физическим основанием для изменений в транспортных свойствах материалов с наноструктурой служит возбуждение волной света поверхностных плазмонов в проводнике. Эти плазмоны могут распространиться, на гораздо большие по глубине, расстояния в сравнении со световой волной.

Интерференция излучения на передней и задней поверхностях наноструктур дает возможность получить изменение проходимости и состава спектра в большом диапазоне.

Открытые свойства транспорта импульсов света сквозь наноструктуры дает новые возможности использования их для создания скоростных фотодетекторов и систем телекоммуникаций.

Нанооптика открывает возможности декодирования сложных соединений молекул, включая структуру биомолекул.

Нанотехнологии на слуху уже более 15 лет. А вот о нанофотонике знают немногие — это совсем новое междисциплинарное направление на стыке оптики, лазерной физики, материаловедения, физической химии, физики и химии твердого тела, наноструктур и нанотехнологий. Что изучает эта наука и где применяются ее исследования ― разбираемся вместе с аспирантами Нового физтеха ИТМО Иваном Тофтулом и Георгием Зографом.


Иллюстрации: Дмитрий Лисовский, Юлия Грызлова, ITMO.NEWS



Экспериментальные методы в нанофотонике бывают разными. Часто концепты, изначально придуманные для наноразмерных масштабов, проверяются в микроволновой лаборатории. Дело в том, что все изучаемые явления в нанофотонике чаще всего укладываются в стандартную электромагнитную теорию, а явления электромагнетизма имеют одно замечательное свойство — результаты легко масштабируются. Поэтому экспериментальные установки делать значительно проще. Разумеется, есть множество исключений, когда подобное масштабирование не применимо — для этого используется оптическая лаборатория, где точность в экспериментах уже нанометровая. Как правило, такая лаборатория оборудована специальным оптическим столом, который гасит все паразитические микроколебания, например, от проезжающих машин или трамваев на соседней улице. На сам стол устанавливают лазеры, прецизионную оптику, тестовые образцы и все необходимое для проведение эксперимента.


Бурное развитие нанофотоники связано с технологических прогрессом, а реальные экспериментальные оптические исследования с одиночными нанообъектами проводятся в последние несколько десятков лет. Однако самые известные примеры использования наночастиц для управления свойствами света были предложены стеклодувами в Древнем Риме. Яркий пример — Чаша Ликурга, которая меняет свой цвет в зависимости от расположения источника света. Похожими технологиями обладали и мастера витражей в Средние века, которые опытным путем определили, что, добавляя продукты химических реакций золота и других соединений, можно добиваться ярких и насыщенных цветов. Впоследствии, уже в 20 и 21 веках на электронных микроскопах ученые увидели вкрапления наночастиц золота размерами до 100 нм в таких витражах, за счет чего и достигался такой красивый эффект.


Что касается современных коммерческих приложений нанофотоники, то это так называемые SERS-подложки для экспресс-тестирования биологических маркеров, которые работают за счет значительного — на 5-10 порядков — усиления уникальных откликов сигнала комбинационного рассеяния от биологических и химических соединений. Кроме того, использование наноструктурированных и наноразмерных полупроводниковых материалов позволило значительно повысить эффективность солнечных панелей, которые используются для преобразования энергии солнечного излучения в электрических ток.


Тоже. В лечении онкологических заболеваний сейчас активно используется фототермическая терапия. Это вид медицинского неинвазивного вмешательства, при котором специально созданные и внедренные наночастицы-мишени достигают области воздействия, а затем остро сфокусированный источник света воздействует на эти мишени — таким образом, за счет преобразования световой энергии в тепловую разрушаются злокачественные образования.



Да. В качестве примера можно привести металинзу. Те, кто занимается фотографией, знают, что хорошая светосильная оптика — это всегда очень много стекла. К тому же, у всех есть телефон с камерой, и почти у всех камера выпирает из корпуса. Металинза, в свою очередь, в перспективе может стать чрезвычайно тонким оптическим элементом. Более того, уже существуют концепты создания голографических металинз. Возможно, 3D-проектор робота R2D2 из мира Звездных Войн в скором времени уже не будет такой уж фантастикой.

Нанофотоника или нанооптика это исследование поведения свет на нанометр масштаба и взаимодействия объектов нанометрового масштаба со светом. Это филиал оптика, оптическая инженерия, электротехника, и нанотехнологии. Он часто (но не исключительно) включает металлические компоненты, которые могут переносить и фокусировать свет через поверхностные плазмонные поляритоны.

Содержание

Обычные оптические компоненты, такие как линзы и микроскопы, обычно не могут фокусировать свет до нанометров (глубокой субволна) масштабов из-за предел дифракции (Критерий Рэлея). Тем не менее, можно сжать свет до нанометрового масштаба, используя другие методы, такие как, например, поверхностные плазмоны, локализованные поверхностные плазмоны вокруг наноразмерных металлических объектов, а также наноразмерные апертуры и наноразмерные острые наконечники, используемые в сканирующая оптическая микроскопия в ближнем поле (СБОМ или НСОМ) [1] [2] [3] и фото помощь сканирующая туннельная микроскопия. [4]

Мотивации

Исследователи нанофотоники преследуют самые разные цели в самых разных областях, от биохимии до электротехники. Некоторые из этих целей кратко изложены ниже.

Оптоэлектроника и микроэлектроника

Если свет можно сжать до небольшого объема, он может быть поглощен и обнаружен небольшим детектором. Маленький фотоприемники имеют ряд желаемых свойств, включая низкий уровень шума, высокую скорость и низкое напряжение и мощность. [5] [6] [7]

Маленький лазеры иметь различные желательные свойства для оптическая связь включая низкий пороговый ток (что способствует энергоэффективности) и быструю модуляцию [8] (что означает больше передачи данных). Очень маленькие лазеры требуют субволна оптические резонаторы. Примером является спазеры, то поверхностный плазмон версия лазеров.

Интегральные схемы выполнены с использованием фотолитография, то есть воздействие света. Чтобы сделать транзисторы очень маленького размера, свет должен быть сфокусирован для получения чрезвычайно четких изображений. Используя различные методы, такие как иммерсионная литография и фазосдвигающий фотошаблоныдействительно было возможно сделать изображения намного более тонкими, чем длина волны - например, нарисовать линии 30 нм с использованием света 193 нм. [9] Для этого приложения также были предложены плазмонные методы. [10]

Магнитная запись с подогревом это нанофотонный подход к увеличению объема данных, которые может хранить магнитный диск. Перед записью данных требуется, чтобы лазер нагрел крошечную субволновую область магнитного материала. Магнитная записывающая головка будет иметь металлические оптические компоненты для концентрации света в нужном месте.

Миниатюризация в оптоэлектроника, например миниатюризация транзисторов в интегральные схемы, улучшили их скорость и стоимость. Однако, оптоэлектронный схемы могут быть уменьшены только в том случае, если оптические компоненты будут уменьшены вместе с электронными компонентами. Это актуально для внутрикристальных оптическая связь (то есть передача информации от одной части микрочипа к другой путем передачи света через оптические волноводы вместо изменения напряжения на проводе). [6] [11]

Солнечные батареи

Солнечные батареи часто лучше всего работает, когда свет поглощается очень близко к поверхности, как потому, что у электронов у поверхности больше шансов быть собранными, так и потому, что устройство можно сделать тоньше, что снижает стоимость. Исследователи исследовали множество нанофотонных методов для усиления света в оптимальных местах внутри солнечного элемента. [12]

Спектроскопия

Микроскопия

Одна из целей нанофотоники - создание так называемого "суперлинза", который будет использовать метаматериалы (см. ниже) или другие методы для создания изображений с большей точностью, чем предел дифракции (глубокий субволна).

Сканирующий оптический микроскоп ближнего поля (NSOM или SNOM) - это совершенно другой нанофотонный метод, который выполняет ту же цель - получение изображений с разрешением, намного меньшим, чем длина волны. Он включает в себя растровое сканирование очень острого наконечника или очень маленькой апертуры по поверхности, которую нужно отобразить. [1]

Под микроскопией ближнего поля в более общем смысле понимается любой метод, использующий ближнее поле (см. Ниже) для достижения наноразмерного субволнового разрешения. Например, двухполяризационная интерферометрия имеет разрешение пикометра в вертикальной плоскости над поверхностью волновода. [ нужна цитата ]

Принципы

Плазмоны и металлическая оптика

Металлы - это эффективный способ ограничить свет намного ниже длины волны. Первоначально это использовалось в радио и микроволновая техника, где металл антенны и волноводы может быть в сотни раз меньше длины волны в свободном пространстве. По той же причине видимый свет может быть ограничен наноразмером с помощью наноразмерных металлических структур, таких как наноразмерные структуры, наконечники, зазоры и т. Д. Многие конструкции нанооптики выглядят как обычные микроволновые или радиоволновые схемы, но сжимаются. вниз в 100000 раз и более. В конце концов, радиоволны, микроволны и видимый свет - это все электромагнитное излучение; они отличаются только частотой. Таким образом, при прочих равных условиях микроволновая цепь, уменьшенная в 100000 раз, будет вести себя так же, но на частоте в 100000 раз выше. [15] Этот эффект в некоторой степени аналогичен громоотводу, где поле концентрируется на острие. В основе его лежит тот факт, что диэлектрическая проницаемость металла очень большой и негативный. На очень высоких частотах (около и выше плазменная частота, обычно ультрафиолет), диэлектрическая проницаемость металла не так велика, и металл перестает быть полезным для концентрации полей.


Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ) изображение пятиэлементной антенны Яги-Уда, состоящей из фидерного элемента, одного рефлектора и трех директоров, изготовленных компанией электронно-лучевая литография. [16]

Например, исследователи создали нанооптические диполи и Антенны Яги – Уда по существу такой же дизайн, как и для радиоантенн. [17] [18]

Металлическая параллельная пластина волноводы (полосковые), сосредоточенно-постоянная схема такие элементы, как индуктивность и емкость (в видимый свет частоты, значения последних порядка фемтогенри и аттофарад соответственно), а согласование импеданса диполь антенны к линии передачи, все знакомые техники на микроволновая печь частоты, являются одними из актуальных направлений развития нанофотоники. Тем не менее, существует ряд очень важных различий между нанооптикой и упрощенными микроволновыми схемами. Например, на оптической частоте металлы гораздо менее похожи на идеальные проводники, а также демонстрируют интересные плазмонные эффекты, такие как кинетическая индуктивность и поверхностный плазмонный резонанс. Точно так же оптические поля взаимодействуют с полупроводники принципиально другим способом, чем микроволновые печи.

Оптика ближнего поля

Если вы возьмете преобразование Фурье объекта, он состоит из разных пространственные частоты. Более высокие частоты соответствуют очень тонким деталям и резким краям.

Когда свет излучается таким объектом, свет с очень высокой пространственной частотой образует мимолетная волна, который существует только в ближнее поле (очень близко к объекту, в пределах одной или двух длин волн) и исчезает в дальнее поле. Это происхождение предел дифракции, который говорит о том, что когда объектив отображает объект, информация о субволнах размывается.

Нанофотоника в первую очередь связана с затухающими волнами ближнего поля. Например, суперлинза (упомянутый выше) предотвратит затухание затухающей волны, позволяя получать изображения с более высоким разрешением.

Метаматериалы

Метаматериалы - это искусственные материалы, обладающие свойствами, которые невозможно найти в природе. Они создаются путем изготовления массива структур, намного меньших длины волны. Небольшой (нано) размер структур важен: таким образом, свет взаимодействует с ними, как если бы они составляли однородную непрерывную среду, а не рассеивались на отдельных структурах.

область науки и техники, связанная с изучением физических явлений, возникающих при взаимодействии фотонов с объектами нанометровых размеров (в масштабе, много меньшем длины волны излучения), а также с практическим применением указанных явлений при разработке оптических наноструктурированных материалов и функциональных устройств на их основе.

Определение относится, главным образом, к видимому или ближнему инфракрасному диапазону электромагнитного излучения с длинами волн от 400 нм до 1.2 мкм.
Нанофотоника (НФ) как новая область науки возникла на стыке оптики, лазерной физики, материаловедения, физической химии, физики и химии твердого тела. Предметом изучения НФ является распространение, преобразование, испускание и поглощение оптического излучения в наноструктурах, с целью использования особенностей процессов взаимодействии излучения с веществом при таких масштабах для создания различных функциональных устройств: от систем связи и преобразования информации до биосенсоров и биочипов [1].
Уникальные оптические свойства наноматериалов могут искусственно создаваться и контролироваться. Это обстоятельство определяет самую широкую сферу их возможного применения – компактные фотоэлектрические источники питания; эффективные и перестраиваемые источники света, детекторы, фильтры, волноводы и модуляторы; высокоскоростные чисто-оптические переключатели; сенсоры окружающей среды (химические и биологические); классические и квантовые вычислительные устройства нового поколения; приборы для биофотонной медицинской диагностики и терапии.

Круг задач, решаемых в настоящее время нанофотоникой, можно разделить на несколько тематических разделов [2]:

  • Метаматериалы и материалы нанофотоники;
  • Фотонные кристаллы;
  • Плазмоника;
  • Оптический захват и манипулирование нанообъектами;
  • Изготовление фотонных функциональных устройств;
  • Компьютерное моделирование в области нанофотоники;
  • Оптоструйная техника.

Основными методами и инструментами исследования в нанофотонике являются ближнепольная сканирующая оптическая микроскопия, сканирующая туннельная микроскопия c применением возбуждающих фотонов (PASTM, photon-assisted scanning tunnel microscopy) и плазмонная оптика поверхности [3].

К наиболее существенным достижениям нанофотоники, которые, как ожидается, привнесут значимый вклад в научные и инженерные разработки и приведут к существенным инновациям, относятся [4]:

За последние 15 лет фундаментальная и прикладная наука существенно продвинулась в области исследования взаимодействия фотонов с веществом, контроля единичных фотонов, увеличения эффективности фотонных приборов. В последние годы наблюдается устойчивый рост интереса научной общественности к метаматериалам, фотонным кристаллам и фотоннокристаллическим волокнам, а также к развитию подходов к синтезу интегральных микро- и нанооптических устройств и микро-оптомеханических устройств.

Нанофотонные системы имеют самые широкие перспективы применения как в коммерческих, так и в военных областях [5]:

Читайте также: