книги / Физические основы нанотехнологий фотоники и оптоинформатики.-1
.pdfческой сердцевины и внешней оболочкой. Добротность резонатора составляла 14,8. Число молекул красителя на одну наночастицу 2700. Все экспериментальные измерения проводились с ансамблем спазеров,
концентрация которых в водной суспензии составляла 3 1011см 3. Накачка молекул красителя осуществлялась импульсным лазер-
ным излучением наносекундной длительности. При малых уровнях накачки измеряемый спектр определяется спонтанным излучением молекул красителя. При увеличении мощности накачки появляется узкий пик в спектре излучения на длине волны 531 нм, который соответствует плазмонному резонансу наночастицы. Зависимость интенсивности излучения от мощности накачки демонстрирует пороговый характер возникновения генерации спазера (рис. 7.4).
Эти расходящиеся волны излучали свет по всем направлениям, характерные пики и фронты световых волн свидетельствовали, что плазмонные колебания происходили синхронно. Излучение наночастицы было когерентным.
Наиболее исследованной формой несферических наночастиц являются наностержни. В случае наностержня управление центральной частотой плазмонного резонанса осуществляется его длиной. Так, настраивают частоту плазмонного резонанса наночастицы в резонанс с частотой излучения квантовых излучателей активной среды. Размер 3D-плазмонного резонатора составляет от нескольких нанометров до нескольких десятков нанометров (рис. 7.5).
2D-плазмонный нанолазер – это плазмонный нановолновод с активной средой в объеме плазмонной моды на гибридной наноструктуре диэлектрик–металл (рис. 7.6). Такая наноструктура представляет собой полупроводниковый стержень, расположенный на нанометровом расстоянии от металлической поверхности. Связь между фотонной модой диэлектрического волновода и поверхностной плазмонной волной поверхности металла формирует гибридную волну в зазоре между нановолноводом и поверхностью.
Вгибридной моде основная часть энергии волны сосредоточена
внеметаллическом зазоре, что при нанометровых размерах волновода и зазора обеспечивает сильную локализацию поля и одновременно большую длину распространения волны. В качестве диэлектрического волновода используют полупроводниковый усиливающий материал из-за электрохимической, фотохимической стабильности, большого коэффициента усиления и возможности использовать электрическую или оптическую накачку.
111
Рис. 7.5. 3D-спазер на основе металлических золотых наностержней:
а– поперечные и продольные моды наностержня показаны вектором Е;
б– наночастицаAu, покрытая оболочкой из пористого кварца, содержащая молекулы красителя с качестве активной среды;
в– электронная фотография монослоя частиц; г – схема функционирования ансамбля спазеров R6G-родамин 6Ж краситель, PVA-полимер [19]
Первая демонстрация 2D-плазмонного нанолазера выполнена
в2010 г. [19]. Диэлектрический стержень из CdS являлся активной средой и резонатором, формирующим моды плазмонного нанолазера в продольном направлении. Обратная связь в резонаторе вдоль стержня обеспечивалась отражением волны на концах наностержня из-за большой разности
вкоэффициентах преломления полупроводника и воздуха (резонатор Фабри – Перо). Наностержень располагался на расстоянии в несколько нанометров от металлической поверхности. Использовалась лазерная оптическая накачка на длине волны 405 нм. Генерация наблюдалась на длине волны 489 нм. Поперечный размер локализации моды составлял порядка 10 нм. Плазмонный режим. Генерация наблюдалась при криогенной температуреобразцаидиаметренаностержня,равном52нм(см.рис.7.6).
На рис. 7.7 показана эволюция спектра плазмонного 2D-нано- лазера с наностержнем из полупроводника InGaN, покрытого тонкой оболочкой InN, лежащего на металлической поверхности Ag, выполненной с атомарной гладкостью. При температуре 120 К возникает генерация в виде небольшого пика в зеленой области. При 8 К появляется узкая линия лазерной генерации на длине 500 нм.
112
Рис.7.6.Схема2D-плазмонногонанолазера |
Рис.7.7.Эволюцияспектраплаз- |
наосновеструктурыдиэлектрический |
монного2D-нанолазеранаполу- |
волновод–металлическаяповерхность. |
проводникеInGaNприизменении |
Наностержень являетсяактивной средой |
температурыот8до300К. |
усиленияволны[19] |
Пороггенерациидостигался |
|
при140К[19] |
1D-плазмонный нанолазер является одномерной планарной наноструктурой, состоящей из металлической наноструктурированной поверхности с прилегающим к ней диэлектриком. Диэлектрик действует как усиливающая среда для поверхностной плазмонной волны. Возможны планарная структура диэлектрик–металл–диэлектрик и планарная структура металл–диэлектрическая пленка–металл. Все они реализованы экспериментально [19]. На рис. 7.8 показана схема 1D-резо- натора плазмонного нанолазера с обратной связью за счет полного внутреннего отражения на границах нанопленки. Нанолазер образован полупроводниковым нанодиском (активная среда), расположенным на расстоянии 10 нм от металлической поверхности.
На рис. 7.9 показана конфигурация нанолазера в виде металлической (Au) нанопленки-волновода, расположенной внутри усиливающей среды, с квантовыми ямами InGaAs. Длина волновода 1 мм, ширина – 100 мкм. Резонатор типа Фабри – Перо образован концами металлического волновода. Импульсная оптическая накачка на длине волны1,06 мкм. Сужение линии излучения и пороговое поведение мощно-
сти накачки говорят о возникновении режима генерации. Генерация наблюдалась при комнатной температуре и длине волны 1,46 мкм.
113
Рис. 7.8.1D-плазмонныйнанолазер |
Рис.7.9.1D-наноплазмонныйлазер |
сдисковымрезонатором[19] |
наосновеплоскогометаллического |
|
волноводаиактивнойсреды,образо- |
|
ванной квантовыми ямамиInGaAs[19] |
На рис. 7.10 показана планарная структура 1D-плазмонного нанолазера. Резонатор в виде плоского квадрата со стороной 1 мкм, толщиной 45 нм образован полупроводником CdS активной среды на поверхности металла Ag. Активная среда отделена от металла слоем изолятора MgF2. Здесь реализуется нановолноводная схема металл– диэлектрик–полупроводник. Формируются только плазмонные моды. На рис. 7.11 в такой же схеме соответствующим выбором размера резонатора был получен одномодовый режим генерации нанолазера с шириной линии 1,1 нм.
Рис.7.10.Схема1D-плазмонного |
Рис. 7.11. Спектргенерации |
нанолазера наосновеAg-поверхностии |
в одномодовомрежимеприкомнатной |
полупроводниковойактивнойсредыCdS |
температуре 1D-плазмонного |
прикомнатной температуре. Активнаясреда |
нанолазера наосновесеребряной |
отделенаотметаллическойповерхности |
поверхностииполупроводниковой |
изолирующимматериалом [19] |
активнойсреды[19] |
114 |
|
На рис. 7.12, а показана схема нанолазера на основе плазмонного кристалла. Нанолазер состоит из решетки наночастиц золота на стеклянной поверхности, покрытой слоем полимера в качестве активной среды. Полимерный материал состоит из полиуретана и молекул красителя ИК-140. Оптическая накачка фемтосекундным лазерным излучением на длине волны 800 нм. Лазерный луч накачки направлялся под углом 45 к плоскости плазмонного кристалла. Возбуждались поверхностные плазмонные поляритоны. Выходное излучение регистрировалось под нормальным углом к плоскости кристалла на длине волны913 нм со спектральной шириной 1,3 нм (рис. 7.12, б). Излу-
чение нанолазера было пространственно когерентным на площади 50 50 мкм2. Нанолазер функционировал при комнатной температуре.
а |
б |
Рис. 7.12. Схема нанолазера на основе плазмонного кристалла, состоящего из решетки наночастиц, погруженных в усиливающую среду (а), и пик линии генерации на длине 913 нм,Au (б) [19]
Схема плазмонного нанолазера на основе плазмонного кристалла из решетки наноотверстий и прилегающей к ней активной среды показана на рис. 7.13. На пластину из фосфида индия (InP) наносился слой арсенида индия-галлия (InGaAs) толщиной 105 нм. Он покрывался тонким слоем (15 нм) InP. Затем наносился защитный слой из нитрида кремния (SiN) 5 нм. Поверх защитного слоя наносилась золотая пленка 100 нм, в которой создавалась решетка наноотверстий диаметром 160 нм. Слой InGaAs являлся активной средой наноспазера. Оптическая накачка активной среды производилась на длине волны 1,06 мкм. При
115
Рис. 7.13. Схема плазмонного нанолазера на основе плазмонного кристалла из решетки наноотверстий [19]
превышении определенного значения мощности накачки наблюдалось увеличение мощности излучения резонанса с 1480 нм более чем на
3 порядка. Это интерпретировалось как достижение режима генерации нанолазера. Генерация при криогенных температурах.
7.2.2. Применение устройств наноплазмоники4
Фотонные интегральные схемы
Наноразмерные плазмонные лазеры являются источниками, интегрируемыми с другими электронными и оптическими компонентами. Они обеспечивают функционирование наноразмерных оптических схем с широкой полосой модуляции. Пассивные плазмонные элементы – детекторы, волноводы и модуляторы с улучшенными характеристиками и сниженным энергопотреблением – также будут входить в состав таких наноразмерных фотонных интегральных схем.
Интегрированные электронные и фотонные гибридные системы
Замена стандартного оптического волокна полупроводниковым нановолноводом позволяет снизить размер одномодового кварцевого волновода с нескольких микрон до сотен намометров, т.е. на порядок.
Сенсоры
В сенсорах, основанных на активной плазмонике, измеряемым параметром является интенсивность генерируемого излучения, которая чувствительна к присутствию на уровне менее 10–9 части детектируе-
4 По материалам работ [19, 7].
116
мого вещества с субволновым пространственным разрешением на ультракоротких значениях времени.
Биомедицинское применение
Интенсивность излучения 3D-спазера, биосовместимого с живыми клетками, превышает на два порядка интенсивность флуоресценции от метки на основе квантовой точки. Высокая плотность энергии в нанолазере в малом объеме оптической моды позволяет нанолазеру стать манипулятором и режущим инструментом биологической ткани с беспрецендентной точностью.
Оптическая связь и хранение информации
Частоты модуляции плазмонного лазера лежат в терагерцевом диапазоне. При умеренном потреблении мощности нанолазер имеет преимущество перед методами высокочастотной электроники. Острофокусированные поля плазмонных лазеров могут использоваться для увеличения плотности информации на DVD-дисках.
Построение изображений с суперразрешением
Высокая плотность энергии и малый размер оптической моды, достигаемый в нанолазерах, позволяют формировать наноскопические изображения.
Ультрабыстрая спектроскопия
Плазмонный лазер обеспечивает возможность одновременной локализации энергии на нанометровой пространственной шкале и фемтосекундной (10–15 с) временной шкале.
Фотолитография
Нанолокализованные поля плазмонных лазеров преодолевают дифракционный предел оптических лазеров в фотолитографии.
Наноплазмоника соединяет электронные устройства размером меньше 100 нм с фотоникой оптических частот более 100 ТГц (длины волн меньше 3 мкм). Применение наноплазмоники в нанооптике: внутренние соединения микросхем, пропускание света через непрозрачные материалы за счет плазмонных волн в наноотверстиях; создание распределенных точечных источников света, генерируемого на поверхностях наноразмерных объектов с металлическим покрытием; наноантенны, нанорезонаторы, нановолноводы в видимом диапазоне частот. Биосенсоры, основанные на высокой чувствительности плазменных возбуждений к свойствам среды, окружающей металлическую наноструктуру, измеряют толщину коллоидных пленок, а также проводят скрининг и подсчет событий связывания белков [8].
117
На рис. 7.14 луч света, падающий на поверхность металла, создает плазмон – волны электронной плотности, с помощью которых можно передавать огромные потоки информации. Если свет фокусируется на поверхности с кольцевой канавкой, то возникают концентрические волны кольцами высокой и низкой электронной плотности.
Используя свет для создания волн электронной плотности, названных плазмонами, можно передавать оптические сигналы по наноскопическим проводникам. Плазмонные цепи обладают колоссальной пропускной способностью, и поэтому их можно использовать для передачи огромных объемов информации внутри сверхбыстрых микросхем. Применение плазмонных компонентов также позволит повысить разрешение микроскопов, эффективность светоизлучающих диодов и чувствительность химических и биологических датчиков.
Рис. 7.14. Луч света, падающий на поверхность металла, создающий плазмон [7]
Тысячелетиями алхимики и стеклодувы невольно использовали плазмонные эффекты, когда создавали витражи и красочные кубки, в стекле которых содержались мельчайшие металлические частицы. Самый известный пример – чаша Ликурга, римский кубок, датируемый IV в. н.э. и хранящийся сейчас в Британском музее (рис. 7.15).
Из-за плазмонного возбуждения электронов в металлических частицах, содержащихся в стеклянной матрице, материал кубка поглощает и рассеивает синий и зеленый свет, т.е. коротковолновую часть видимого спектра. Если рассматривать чашу в отраженном свете, рассеи-
118
вание на плазмонах придает ей зеленоватый оттенок, но, если внутрь поместить источник белого света, стекло кажется красным, потому что пропускает только длинные световые волны и поглощает короткие.
Рис. 7.15. Римский кубок Ликурга, изготовленный в IV в. н.э., изменяющий свой цвет из-за плазмонного возбуждения металлических частиц в стеклянной матрице [7]
Исследования поверхностных плазмонов начались в 1980-х гг., когда химики стали изучать это явление с помощью рамановской спектроскопии, при которой для определения структуры образца по молекулярным колебаниям наблюдают рассеяние на нем лазерного света.
В 1989 г. Томас Эббезен (Thomas Ebbesen) из научно-исследова- тельского института японской фирмы NEC обнаружил, что тонкая золотая пленка с миллионами микроскопических отверстий пропускает больше света, чем следовало ожидать, потому что передачу электромагнитной энергии усиливали поверхностные плазмоны.
Плоский плазмоный волновод
Наибольшая дальность распространения плазмона достигается, если волновод работает асимметрично и выталкивает большую часть электромагнитной энергии из направляющей металлической пленки в окружающий диэлектрик, тем самым снижая потери. Электромагнитные поля на верхней и нижней поверхностях металла взаимодействуют друг с другом, частоты и длины волн плазмонов можно регулировать, изменяя толщину пленки. В 1990-х гг. в исследовательских группах Сергея Божевольного из Ольборгского университета в Дании и Пьера Берини из Оттавского университета были разработаны плоские плазмонные компоненты, выполняющие те же функции (например, расщепление передаваемой волны), что и чисто диэлектрические устройства.
119
Рис. 7.16. Плоский плазмонный волновод с линейной канавкой [7]
Свет, сфокусированный на прямой канавке в металле, создает плазмоны, которые распространяются в тонком слое его поверхности (вдоль границы между металлом и воздухом) (рис. 7.16). В плоском волноводе плазмон может пройти несколько сантиметров, чего вполне достаточно для передачи сигналов из одной части микросхемы в другую. Большая волна может создавать помехи другим сигналам в наноскопических внутренностях чипа.
Щелевой плазмонный волновод
Для уменьшения размеров плазмонного проводника нужно окружить диэлектрик металлом. В таком щелевом волноводе длина световой волны сокращается более чем в 10 раз (рис. 7.17). Ученые уже изготовили щелевые волноводы шириной всего 50 нм, что сопоставимо с размерами электронных элементов современных микросхем. По такой плазмонной цепи можно передавать намного больше данных, чем по электрической, но сигнал в ней затухает на расстоянии 100 мкм.
Плазмонстор (плазмонный переключатель)
С помощью щелевых волноводов можно значительно повысить быстродействие микросхем. На рис. 7.18 слева относительно большие диэлектрические волноводы подводят оптические сигналы к плазмонным переключателям (плазмонсторам), соединенным с обычными электронными транзисторами.
Плазмонсторы состоят из щелевых волноводов шириной 100 нм, сужающихся до 20 нм в точках пересечения и превращающих оптический сигнал в электрический.
120