Плазмонный метаматериал - Plasmonic metamaterial

А плазмонный метаматериал это метаматериал который использует поверхностные плазмоны достигать оптические свойства в природе не встречается. Плазмоны образуются при взаимодействии света с металлом.диэлектрик материалы. В определенных условиях падающий свет взаимодействует с поверхностными плазмонами, создавая самоподдерживающиеся, распространяющиеся электромагнитные волны известный как поверхностные плазмонные поляритоны (СПП). После запуска SPP колеблются вдоль границы раздела металл-диэлектрик. По сравнению с падающим светом, длина волны SPP может быть намного короче.[1]

Эти свойства проистекают из уникальной структуры композитов металл-диэлектрик с характеристиками меньше длины волны света, разделенными субволна расстояния. Свет, попадающий на такой метаматериал, преобразуется в поверхностные плазмонные поляритоны, длина волны которых короче падающего света.

Плазмонные материалы

Плазмонные материалы металлы или металлический[2] материалы, которые показывают отрицательные реальные диэлектрическая проницаемость. Наиболее распространенными плазмонными материалами являются золото и серебро. Однако многие другие материалы демонстрируют металлоподобные оптические свойства в определенных диапазонах длин волн.[3] Различные исследовательские группы экспериментируют с различными подходами к созданию плазмонных материалов, которые демонстрируют более низкие потери и настраиваемые оптические свойства.

Отрицательный индекс

Плазмонные метаматериалы - это реализация материалов, впервые предложенных Виктором Веселаго, российским физиком-теоретиком в 1967 году. Также известные как материалы с левым или отрицательным показателем преломления, Веселаго предположил, что они будут демонстрировать оптические свойства, противоположные свойствам стекла или воздуха. В материалах с отрицательным индексом энергия переносится в направлении, противоположном направлению распространяющиеся волновые фронты, а не параллельно им, как в случае с материалами с положительным индексом.[4][5]

Обычно свет, переходящий, скажем, из воздуха в воду, изгибается при прохождении через нормальный (самолет перпендикуляр на поверхность) и вход в воду. Напротив, свет, достигающий материала с отрицательным коэффициентом преломления через воздух, не пересечет нормаль. Скорее наоборот.

Отрицательная рефракция впервые была зарегистрирована для микроволновая печь и инфракрасный частоты. Отрицательный показатель преломления в оптическом диапазоне был впервые продемонстрирован в 2005 г. Шалаев и другие. (на длине волны связи λ = 1,5 мкм)[6] и Brueck et al. (при λ = 2 мкм) почти одновременно[7]. В 2007 году сотрудничество между Калифорнийский технологический институт, а NIST сообщил об узкой полосе, отрицательном преломлении видимого света в двух измерениях.[4][5]

Чтобы создать этот отклик, падающий свет соединяется с волнообразными газоподобными зарядами (плазмонами), обычно на поверхности металлов. Это фотонно-плазмонное взаимодействие приводит к образованию плазмонных волн, которые генерируют интенсивные локализованные оптические поля. Волны ограничены границей раздела между металлами.

и изолятор. Этот узкий канал служит преобразующим проводником, который, по сути, улавливает и сжимает длину волны входящего света до доли от ее первоначального значения.[5]

Наномеханические системы, в состав которых входят метаматериалы, демонстрируют отрицательные радиационное давление.[8]

Свет, падающий на обычные материалы с положительным показателем преломления, оказывает положительное давление, что означает, что он может оттолкнуть объект от источника света. Напротив, освещая метаматериалы с отрицательным индексом должен создавать отрицательное давление, притягивающее объект к свету.[8]

Трехмерный отрицательный индекс

Компьютерное моделирование предсказывать плазмонные метаматериалы с отрицательным индексом в трех измерениях. Возможные методы изготовления включают многослойные тонкая пленка осаждение сфокусированный ионный пучок фрезерование и самосборка.[8]

Индекс градиента

PMM могут быть изготовлены с показателем градиента (материал, показатель преломления которого прогрессивно изменяется по длине или площади материала). Один из таких материалов заключался в размещении термопласт, известный как ПММА, на золотой поверхности через электронно-лучевая литография.

Гиперболический

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 экстремальным. анизотропия. Материалы соотношение дисперсии образует гиперболоид. Связанный длина волны в принципе может быть бесконечно малым.[9] Недавно с помощью литографических методов были продемонстрированы гиперболические метаповерхности в видимой области с наноструктурами серебра или золота.[10][11] Сообщенные гиперболические устройства продемонстрировали множество функций для восприятия и визуализации, например, отсутствие дифракции, отрицательное преломление и усиленные эффекты плазмонного резонанса, благодаря их уникальным оптическим свойствам.[12] Эти особые свойства также крайне необходимы для изготовления интегрированных оптических метасхем для приложений квантовой информации.

Изотропия

Первые созданные метаматериалы демонстрируют анизотропию своего воздействия на плазмоны. То есть действуют только в одном направлении.

Совсем недавно исследователи использовали новую технику самосвертывания для создания трехмерного массива кольцевые резонаторы который проявляет изотропию при вращении в любом направлении до угла падения 40 градусов. Воздействие воздуха на полосы из никеля и золота, нанесенных на полимерную / кремниевую подложку, позволило механическим напряжениям свернуть полосы в кольца, образуя резонаторы. Путем расположения полосок под разными углами друг к другу была достигнута 4-х кратная симметрия, что позволило резонаторам производить эффекты во многих направлениях.[13][14]

Материалы

Кремний сэндвич

Отрицательное преломление для видимого света впервые было создано в виде многослойной конструкции с тонкими слоями. Изоляционный лист нитрид кремния был покрыт серебряной пленкой, а под другой - золотой. Критический размер - это толщина слоев, которая в сумме составляет долю длины волны синего и синего цветов. зеленый свет. За счет включения этого метаматериала в интегрированную оптику на Микросхема, отрицательная рефракция была продемонстрирована на синей и зеленой частотах. Коллективный результат - относительно значимая реакция на свет.[4][5]

Графен

Графен также вмещает поверхностные плазмоны,[15] наблюдается через инфракрасная оптическая микроскопия ближнего поля техники[16][17] и ИК-спектроскопия.[18] Потенциальные применения плазмоники графена включают от терагерцовых до средних инфракрасных частот, в таких устройствах, как оптические модуляторы, фотоприемники и биосенсоры.[19]

Сверхрешетка

Гиперболический метаматериал из нитрид титана (металл) и нитрид алюминия и скандия (диэлектрик) имеют совместимые кристаллические структуры и могут образовывать сверхрешетка, кристалл, который объединяет два (или более) материала. Материал совместим с существующими CMOS технология (в отличие от традиционных золота и серебра), механически прочная и термически стабильная при более высоких температурах. Материал выставляется выше фотонные плотности состояний чем Au или Ag.[20] Материал является эффективным поглотителем света.[21]

Материал создан с использованием эпитаксия внутри вакуумной камеры с помощью техники, известной как магнетронное распыление. Материал имел ультратонкие и сверхгладкие слои с острыми поверхностями.[21]

Возможные применения включают «планарный гиперлинза », Что позволило оптическим микроскопам видеть объекты размером с ДНК, современные датчики, более эффективные солнечные коллекторы, нанорезонаторы, квантовые вычисления и бездифракционная фокусировка и формирование изображений.[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

Микроскопия

Одно из возможных приложений: микроскопия за пределами предел дифракции.[4] Плазмоника градиентного индекса использовалась для получения Люнебург и линзы Eaton, которые взаимодействуют с поверхностные плазмонные поляритоны а не фотоны.

Теоретически суперлинза может превысить предел дифракции что предотвращает стандартный (положительный индекс) линзы от разрешения объектов размером менее половины длина волны из видимый свет. Такая суперлинза будет захватывать пространственную информацию, недоступную для обычных оптические микроскопы. Было предложено несколько подходов к созданию такого микроскопа. Субволновая область может быть оптические переключатели, модуляторы, фотоприемники и направленные излучатели света.[22]

Биологическое и химическое зондирование

Другие рассматриваемые экспериментальные приложения включают высокочувствительные биологические и химическое зондирование. Они могут позволить разработать оптические датчики, использующие ограничение поверхностные плазмоны внутри определенного типа нанорезонатора Фабри-Перо. Такое индивидуальное ограничение позволяет эффективно обнаруживать специфические связывания целевых химических или биологических веществ. аналиты с использованием пространственного перекрытия между модой оптического резонатора и лигандами аналита, связанными с боковыми стенками полости резонатора. Структуры оптимизированы с использованием конечная разница во временной области электромагнитный симуляции, изготовленные с использованием комбинации электронно-лучевой литографии и гальваника, и протестирован с использованием как ближнего, так и дальнего поля оптическая микроскопия и спектроскопия.[4]

Оптические вычисления

Оптические вычисления заменяет электронные сигналы устройствами обработки света.[23]

В 2014 году исследователи анонсировали оптический переключатель на 200 нанометров и терагерцовую скорость. Переключатель изготовлен из метаматериала, состоящего из наноразмерных частиц диоксид ванадия (VO
2), кристалл, который переключается между непрозрачной металлической фазой и прозрачной полупроводниковой фазой. Наночастицы осаждаются на стеклянной подложке и покрываются наночастицами золота еще меньшего размера.[24] которые действуют как плазмонный фотокатод.[25]

Фемтосекундный лазер посылает свободные электроны в частицах золота, которые прыгают в VO
2 и вызывают субпикосекундное изменение фазы.[24]

Устройство совместимо с современной технологией интегральных схем, кремниевыми чипами и высококалорийные диэлектрики материалы. Работает в видимой и ближней инфракрасной областях спектра. Он генерирует всего 100 фемтоджоулей / бит / операцию, что позволяет плотно упаковать переключатели.[24]

Фотогальваника

Металлы золотой группы (Au, Ag и Cu) использовались в качестве прямых активных материалов в фотогальваника и солнечные батареи. Материалы одновременно действуют как электрон [26] и донор дырок,[27] и, таким образом, может быть зажат 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]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Kuttge, M .; Vesseur, E .; Koenderink, A .; Lezec, H .; Atwater, H .; Гарсия 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. Bibcode:2009PhRvB..79k3405K. Дои:10.1103 / PhysRevB.79.113405. HDL:10261/54073.
  2. ^ West, P. R .; Ishii, S .; Naik, G.V .; Emani, N.K .; Шалаев, В. М .; Болтасева, А. (2010). «В поисках лучших плазмонных материалов». Обзоры лазеров и фотоники. 4 (6): 795–808. arXiv:0911.2737. Bibcode:2010LPRv .... 4..795Вт. Дои:10.1002 / lpor.200900055.
  3. ^ Болтассева, А.; Этуотер, Х.А. (2011). «Плазмонные метаматериалы с малыми потерями». Наука. 331 (6015): 290–291. Bibcode:2011Sci ... 331..290B. Дои:10.1126 / science.1198258. PMID  21252335.
  4. ^ а б c d е Исследователи NIST, Исследовательская группа по нанотехнологиям (20 августа 2009 г.). «Трехмерные плазмонные метаматериалы». Национальный институт науки и технологий. Получено 2011-02-14.
  5. ^ а б c d Lezec, H.J .; Dionne, J. A .; Этуотер, Х.А. (2007). «Отрицательное преломление на видимых частотах» (PDF). Наука. 316 (5823): 430–2. Bibcode:2007Sci ... 316..430L. CiteSeerX  10.1.1.422.9475. Дои:10.1126 / science.1139266. PMID  17379773.
  6. ^ Шалаев, В. М .; Cai, W .; Chettiar, U.K .; Юань, Х.-К .; Сарычев, А.К .; Драчев, В.П .; Кильдишев, А. В. (2005). «Отрицательный показатель преломления в оптических метаматериалах» (PDF). Письма об оптике. 30 (24): 3356–8. arXiv:физика / 0504091. Bibcode:2005OptL ... 30.3356S. Дои:10.1364 / OL.30.003356. PMID  16389830.
  7. ^ Чжан, Шуанг; Фан, Вэньцзюнь; Panoiu, N.C .; Malloy, K.J .; Osgood, R.M .; Брюк, С. Р. Дж. (2005). «Экспериментальная демонстрация метаматериалов ближнего инфракрасного диапазона с отрицательным индексом» (PDF). Phys. Rev. Lett. 95 (13): 137404. arXiv:физика / 0504208. Bibcode:2005ПхРвЛ..95м7404З. Дои:10.1103 / PhysRevLett.95.137404. PMID  16197179.
  8. ^ а б c Lezec, Henri J .; Чау, Кеннет Дж. «Отрицательное радиационное давление» (PDF). Получено 2011-02-14. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  9. ^ Объяснение гиперболических метаматериалов за 5 минут на YouTube
  10. ^ High, A .; и другие. (2015). «Гиперболическая метаповерхность видимых частот». Природа. 522 (7555): 192–196. Bibcode:2015Натура.522..192H. Дои:10.1038 / природа14477. PMID  26062510.
  11. ^ Jiang, L .; и другие. (2017). «Многофункциональная гиперболическая метаповерхность с наноканавками для субмолекулярного обнаружения». Маленький. 13 (30): 1700600. Дои:10.1002 / smll.201700600. PMID  28597602.
  12. ^ Такаяма, О .; Лавриненко, А.В. (2019). «Оптика с гиперболическими материалами». Журнал Оптического общества Америки B. 36 (8): F38 – F48. Дои:10.1364 / JOSAB.36.000F38.
  13. ^ «Как создать метаматериалы, работающие во всех направлениях | KurzweilAI». www.kurzweilai.net.
  14. ^ Чен, Че-Чин; Исикава, Ацуши; Тан Юй-Сян; Шиао, Мин-Хуа; Цай, Дин Пинг; Танака, Такуо (январь 2015 г.). «Одноосно-изотропные метаматериалы на трехмерных кольцевых резонаторах». Современные оптические материалы. 3 (1): 44–48. Дои:10.1002 / adom.201400316.
  15. ^ Zeng, S .; и другие. (2015). «Архитектура метаповерхности графен-золото для сверхчувствительного плазмонного биочувствительности». Современные материалы. 27 (40): 1–7. Дои:10.1002 / adma.201501754. PMID  26349431.
  16. ^ Чен, Дж; Бадиоли, М; Алонсо-Гонсалес, П; Thongrattanasiri, S; Huth, F; Осмонд, Дж; Спасенович, М; Сентено, А; Пескера, А; Годиньон, P; Elorza, AZ; Camara, N; Гарсия; de Abajo, FJ; Hillenbrand, R; Коппенс, FH (2012). «Оптическое наноизображение перестраиваемых затвором графеновых плазмонов». Природа. 487 (7405): 77–81. arXiv:1202.4996. Bibcode:2012Натура 487 ... 77C. Дои:10.1038 / природа11254. PMID  22722861.
  17. ^ Fei, Z .; Родин, А. С .; Андреев, Г. О .; Bao, W .; McLeod, A. S .; Вагнер, М .; Zhang, L.M .; Zhao, Z .; Thiemens, M .; Dominguez, G .; Фоглер, М. М .; Castro Neto, A.H .; Lau, C.N .; Keilmann, F .; Басов, Д. Н. (5 июля 2012 г.). «Настройка затвора графеновых плазмонов с помощью инфракрасного наноизображения». Природа. 487 (7405): 82–5. arXiv:1202.4993. Bibcode:2012Натура 487 ... 82F. Дои:10.1038 / природа11253. PMID  22722866.
  18. ^ Ян, Хьюген; Низкий, Тони; Чжу, Вэньцзюань; У, Яньцин; Фрайтаг, Маркус; Ли, Сюэсон; Гвинея, Франсиско; Авурис, Федон; Ся, Fengnian (2013). «Демпфирующие пути плазмонов среднего инфракрасного диапазона в графеновых наноструктурах». Природа Фотоника. 7 (5): 394–399. arXiv:1209.1984. Bibcode:2013НаФо ... 7..394л. Дои:10.1038 / nphoton.2013.57.
  19. ^ Низкий, Т .; Авурис, П. (2014). "Плазмоника графена для приложений терагерцового и среднего инфракрасного диапазонов". САУ Нано. 8 (2): 1086–101. arXiv:1403.2799. Bibcode:2014arXiv1403.2799L. Дои:10.1021 / nn406627u. PMID  24484181.
  20. ^ Гурурадж В. Найк и др. (2014). «Эпитаксиальные сверхрешетки с нитридом титана как плазмонный компонент для оптических гиперболических метаматериалов». Труды Национальной академии наук. 111 (21): 7546–7551. Bibcode:2014ПНАС..111.7546Н. Дои:10.1073 / pnas.1319446111. ЧВК  4040552. PMID  24821762.CS1 maint: использует параметр авторов (связь)
  21. ^ а б c d "'Гиперболические метаматериалы «ближе к реальности». KurzweilAI. 15 мая 2014 г.
  22. ^ Пасифици, Доменико; Lezec, Henri J .; Sweatlock, Люк А .; Уолтерс, Роберт Дж .; Этуотер, Гарри А. (2008). «Универсальные особенности оптической передачи в периодических и квазипериодических решетках дырок» (PDF). Оптика Экспресс. 16 (12): 9222–38. Bibcode:2008OExpr..16.9222P. Дои:10.1364 / OE.16.009222. PMID  18545635.
  23. ^ Яррис, Линн (20 августа 2009 г.). "GRIN Plasmonics…" (Онлайн-выпуск новостей). Национальная лаборатория Министерства энергетики США, управляемая Калифорнийским университетом. Получено 2011-02-15.
  24. ^ а б c «Наноразмерный оптический переключатель преодолевает барьер миниатюризации». KurzweilAI. 18 марта 2014 г.. Получено 19 апреля 2015.
  25. ^ Kannatassen Appavoo et al. (2014). "Сверхбыстрый фазовый переход через катастрофический фононный коллапс, вызванный инжекцией плазмонных горячих электронов". Нано буквы. 14 (3): 1127–1133. Bibcode:2014НаноЛ..14.1127А. Дои:10.1021 / nl4044828. PMID  24484272.CS1 maint: использует параметр авторов (связь)
  26. ^ 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.CS1 maint: использует параметр авторов (связь)
  27. ^ Тальябу, Джулия (2018). «Сверхбыстрые исследования динамики горячих дырок в гетероструктурах Au / p-GaN». arXiv:1810.04238 [cond-mat.mes-hall ].CS1 maint: использует параметр авторов (связь)
  28. ^ "Peafowl Solar Power | ДЕЛАТЬ ЭНЕРГИЮ КРАСИВОЙ".

дальнейшее чтение

внешняя ссылка