Plazmonikus

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2021. május 2-án felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzések 4 szerkesztést igényelnek .

A plazmonika vagy nanoplazmonika [1] a fém-dielektromos interfészek mentén a nanométeres tartományban optikai frekvenciájú jelek generálására, detektálására és feldolgozására vonatkozik. [2] A fotonikán kívül a plazmonika követi az optikai eszközök miniatürizálásának trendjét (lásd nanofotonika ), és alkalmazást talál az érzékelésben, a mikroszkópiában, az optikai kommunikációban és a biofotonikában . [3]

Alapelvek

A plazmonikum általában az úgynevezett felszíni plazmonikus polaritonokat (SPP) [2] használja , amelyek koherens elektronikus rezgések, amelyek elektromágneses hullámmal együtt terjednek a dielektrikum és a fém közötti határfelületen. Az SPP-k előfordulásának feltételei nagymértékben függenek a vezető közeg tulajdonságaitól. Különösen, mivel a fémben lévő elektrongáz az elektromágneses hullámmal együtt oszcillál, és a mozgó elektronok szétszóródnak, a plazmonjelekben ohmos veszteségek lépnek fel, ami korlátozza átviteli távolságukat [4] . Ez nem vonatkozik a hibrid optoplazmonikus rostokra [5] [6] [7] vagy az amplifikációval rendelkező plazmonhálózatokra [8] . Az SPP-k mellett vannak lokalizált felületi plazmon módok, amelyeket fém nanorészecskék támogatnak . Mindkét hatást nagy nyomatékok jellemzik, amelyek lehetővé teszik az állapotok lokális fotonsűrűségének erős rezonancia-növekedését [9] , és felhasználhatók a gyenge optikai hatások fokozására optoelektronikai eszközökben.

Motiváció és aktuális kérdések

Jelenleg erőfeszítéseket tesznek a plazmonikának elektromos áramkörökbe vagy analóg elektromos áramkörökbe történő integrálására annak érdekében, hogy az elektronika kompaktságát egyesítsék a fotonikus integrált áramkörök (PIC) adatkapacitásával . [10] Míg az elektromos áramkörökhöz használt CMOS csomópontok kapuszélessége folyamatosan csökken, a hagyományos PIC-ek méretét a diffrakció korlátozza , ami gátat szab további integrációjuknak. Elvileg a plazmonika képes kiküszöbölni az elektronikus és fotonikus komponensek közötti méretbeli eltérést. Ugyanakkor a fotonika és a plazmonika kiegészítheti egymást, mivel bizonyos feltételek mellett az optikai jelek SPP-vé alakíthatók és fordítva.

A plazmonáramkörök megvalósításának egyik legnagyobb problémája a felületi plazmonok rövid terjedési távolsága. A felszíni plazmonok jellemzően csak néhány millimétert tesznek meg, mielőtt a jel lecsengene. [11] Ez nagyrészt az ohmos veszteségeknek köszönhető, amelyek értéke nő, ahogy az elektromos tér áthatol a fémen. A kutatók a felületi plazmonok terjedési veszteségeit próbálják csökkenteni különböző anyagok, geometriák, frekvenciák, valamint a vezető közeg tulajdonságainak változtatásával. [12] Az új ígéretes, alacsony veszteségű plazmonikus anyagok közé tartoznak a fém-oxidok és -nitridek [13] , valamint a grafén . [14] A fejlesztés során fontos a veszteségek csökkentése a felületi érdesség csökkentésével.

Egy másik akadály, amelyet a plazmonikus áramköröknek le kell küzdeniük, a plazmonikus áramkörök hőtermelése, amely meghaladhatja vagy nem haladja meg az összetett elektronikus áramkörök hőtermelését. [11] A közelmúltban javasolták a plazmonikus hálózatok hő csökkentését csapdába esett optikai örvények alkalmazásával, amelyek a részecskék közötti réseken keresztül terjesztik a fényt, így csökkentve az abszorpciót és az ohmos fűtést. [15] [16] [17] Problémás az is, hogy az áramkörben a plazmonjel irányának megváltoztatása anélkül, hogy az amplitúdója és terjedési útja jelentősen csökkenne. [10] A plazmonikus jelek terjedési irányának megváltoztatásával kapcsolatos probléma egyik ígéretes megoldása a Bragg-tükrök használata , nemcsak irányváltoztatásra, hanem jelleválasztóként is. [tizennyolc]

A fentieken túlmenően a plazmonika új alkalmazásai a hőkibocsátás szabályozására [19] és a fűtött mágneses rögzítés [20] lehetővé teszik a fémek ohmos veszteségének felhasználását új kiterjesztett funkcionalitású eszközök előállítására.

Plazmon hullámvezetők

A plazmonikus hullámvezetők tervezésének optimalizálása a plazmonláncban lévő felszíni plazmonok bezártságának és terjedési távolságának növelésére irányul. A felületi plazmonikus polaritonokat egy komplex hullámvektor írja le, amelynek komponensei párhuzamosak és merőlegesek a fém-dielektromos határfelületre. A hullámvektor komponens képzeletbeli része fordítottan arányos az SPP terjedési hosszával, valós része pedig meghatározza az SPP megtartását. [21] A plazmonhullám diszperziós jellemzői a hullámvezetőt alkotó anyagok permittivitásától függenek. A terjedési út hossza és a felszíni plazmon-polariton hullám behatároltsága fordítottan összefügg. Így az erősebb módusbezárás általában rövidebb terjedési utat eredményez. A gyártható és használható felületi plazmon séma felépítése nagymértékben függ a szaporítás és a bezártság közötti kompromisszumtól. Ezért kompromisszumot kell találni a módus bezártsága és a plazmon polaritonok terjedési távolságának maximalizálása között. Erős bezártsággal és elegendő terjedési útvonallal rendelkező plazmonikus sémát keresve többféle hullámvezetőt hoztak létre. A leggyakoribb típusok közé tartozik:

Az SPP fémekben történő terjedését kísérő disszipációs veszteség csökkenthető erősítéssel vagy hibrid hálózatokkal fotonikus elemekkel, például optikai szálakkal és csatolt üreges hullámvezetőkkel. Egy ilyen kialakítás egy hibrid plazmonikus hullámvezetőhöz vezethet, amely a fény diffrakciós határának egytizedének megfelelő szubhullámhosszúságot mutat, és egy elfogadható terjedési útvonalat. [30] [31] [32] [33]

Kommunikáció

A plazmonikus áramkör bemeneti és kimeneti portjainak optikai jeleket kell fogadniuk, illetve küldeniük. Ehhez az optikai jel és a felületi plazmon összekapcsolása és szétválasztása szükséges. [34] A felületi plazmon diszperziós relációja sokkal kisebb, mint a fény diszperziós relációja, ami azt jelenti, hogy a csatolás létrejöttéhez a bemeneti csatolónak impulzuserősítést kell biztosítania a beérkező fénytől a plazmonban elindított felszíni plazmon-polariton hullámokig. áramkör. [10] Ennek a követelménynek a megvalósítása többféle változatban létezik, többek között: dielektromos prizmák, rácsok vagy lokalizált szóróelemek alkalmazása a fémfelületen, kommunikációt biztosítva a beeső fény és a felületi plazmonok impulzusainak összehangolásával. [35] Miután létrehoztak egy felszíni plazmont és elküldték a rendeltetési helyére, elektromos jellé alakítható. Ez megtehető fémsík fotodetektorral, vagy egy felületi plazmon szabadon terjedő fénnyé történő hasításával, amely aztán elektromos jellé alakítható. Alternatív megoldásként a jel optikai szálhoz vagy hullámvezetőhöz csatlakoztatható.

Aktív eszközök

A felszíni plazmonok terén az elmúlt 50 évben elért haladás különféle típusú eszközök kifejlesztéséhez vezetett, mind az aktív, mind a passzív. A legígéretesebb aktív eszközök közül néhány az optikai, termooptikai és elektrooptikai. A teljesen optikai eszközök modulátorként használva bizonyították megvalósíthatóságukat információfeldolgozásra, adatcserére és adattárolásra. Az egyik kísérletben két különböző hullámhosszú fénynyaláb kölcsönhatását mutatták ki, amikor a kadmium-szelenid kvantumpontjain keresztül együtt szaporodó felszíni plazmonokká alakultak . [36]

Az elektro-optikai eszközök modulátor formájában kombinálják az optikai és az elektromos eszközök tulajdonságait. Különösen az elektro-optikai modulátorokat fejlesztették ki nagy sebességű csatolt rezonáns fémrácsok és nanohuzalok felhasználásával, amelyek nagy hatótávolságú felületi plazmonokon (LRSP) alapulnak. [37]

Az iránycsatoló kapcsolókon kívül interferometrikus SPP jelmodulátorként is alkalmaztak olyan hő-optikai eszközöket, amelyek dielektromos anyagot tartalmaznak, amelynek törésmutatója a hőmérséklet függvényében változik. Kimutatták, hogy egyes termooptikai eszközök modulátorként és iránycsatoló kapcsolóként használhatják az LRSP hullámvezetőt, amely polimerbe ágyazott aranycsíkok mentén található, és elektromos jelekkel melegítik. [38]

Egy másik ígéretes terület a spaserek alkalmazása a nanoméretű litográfiában, szondázásban és mikroszkópiában.

Passzív eszközök

A plazmonikus áramkörök alkalmazásában az aktív komponensek mellett passzív áramkörök is integrálhatók elektromos áramkörökbe, ez azonban összetett technológiai kihívást jelent. Sok passzív elem, mint például a prizmák , lencsék és sugárosztók, megvalósítható plazmonikus sémában, de nanoméretű gyártásuk nehéz feladatnak bizonyult, és nemkívánatos következményekkel jár. Jelentős leválasztási veszteségek léphetnek fel, ha eltérő törésmutatójú törésmutatót használnak. Bizonyos intézkedéseket tettek a veszteségek minimalizálása érdekében, miközben maximalizálják a fotonikus alkatrészek tömörségét. A probléma megoldásának egyik módja a Bragg-reflektorok vagy -tükrök használata, amelyek síksorozatból állnak a felszíni plazmonok sugarának szabályozására. Az optimalizált Bragg reflektorok a bejövő teljesítmény közel 100%-át képesek visszaverni. [10] A kompakt fotonikus komponensek létrehozására használt másik módszer a CPP hullámvezetőkön alapul, mivel erős módusvágást mutattak, elfogadható, 3 dB-nél kisebb veszteséggel az elektromos áramkörök hullámvágási körülményei között. [40] A veszteségek csökkentése és a passzív és aktív eszközök kompaktságának maximalizálása lehetőséget teremthet a plazmonikus áramkörök használatára a jövőben.

Linkek

Lásd még

Jegyzetek

  1. ↑ Novotny, Lukas; Hecht, Bert. A nanooptika  alapelvei . - Cambridge University Press, 2012. - ISBN 9780511794193 .
  2. ↑ 1 2 Maier, SA (2001). "Plasmonics-A Route to Nanoscale Optical Devices". fejlett anyagok . 13 (19): 1501-1505. DOI : 10.1002/1521-4095(200110)13:19<1501::AID-ADMA1501>3.0.CO;2-Z . ISSN  0935-9648 .
  3. ↑ Gramotnyev, Dmitri K. (2010). A diffrakciós határon túli plazmonok. Természet fotonika . 4 (2): 83-91. Bibcode : 2010NaPho...4...83G . DOI : 10.1038/nfoton.2009.282 . ISSN  1749-4885 .
  4. ↑ Barnes, William L (2006-03-21). "Felületi plazmon-polariton hosszskálák: út a hullámhossz alatti optikához." Journal of Optics A: Pure and Applied Optics . IOP Publishing. 8 (4): S87-S93. DOI : 10.1088/1464-4258/8/4/s06 . ISSN  1464-4258 .
  5. ↑ Boriskina, SV (2011-02-07). „Spektrálisan és térben konfigurálható szuperlencsék optoplazmonikus nanoáramkörökhöz”. Proceedings of the National Academy of Sciences . Proceedings of the National Academy of Sciences USA. 108 (8): 3147-3151. arXiv : 1110.6822 . Iránykód : 2011PNAS..108.3147B . DOI : 10.1073/pnas.1016181108 . ISSN 0027-8424 . PMID21300898 _ _  
  6. ↑ 1 2 Ahn, Wonmi (2013-04-25). „Hatékony on-chip fotontranszfer bemutatása önösszeszerelt optoplazmonikus hálózatokban.” ACS Nano . American Chemical Society (ACS). 7 (5): 4470-4478. DOI : 10.1021/nn401062b . ISSN  1936-0851 . PMID23600526  _ _
  7. ↑ Santiago-Cordoba, Miguel A. (2011.08.15.). „Nanorészecske alapú fehérjedetektálás rezonáns mikroüreg optikai eltolásával”. Alkalmazott fizika betűi . AIP Publishing. 99 (7). arXiv : 1108.2337 . Irodai kód : 2011ApPhL..99g3701S . DOI : 10.1063/1.3599706 . ISSN 0003-6951 . 
  8. ↑ Grandidier, Jonathan (2009-08-12). „Erősítéssel segített terjedés plazmonikus hullámvezetőben a távközlési hullámhosszon”. Nano Letters . American Chemical Society (ACS). 9 (8): 2935-2939. Irodai kód : 2009NanoL...9.2935G . DOI : 10.1021/nl901314u . ISSN  1530-6984 . PMID  19719111 .
  9. ↑ SV Boriskina, H. Ghasemi és G. Chen, Materials Today, vol. 16, pp. 379-390, 2013
  10. ↑ 1 2 3 4 Ebbesen, Thomas W. (2008). „Felület-plazmon áramkör”. Fizika ma . 61 (5): 44-50. Iránykód : 2008PhT ....61e..44E . DOI : 10.1063/1.2930735 . ISSN  0031-9228 .
  11. ↑ 1 2 Brongersma, Mark. "A Plasmonics Circuitry Wave of Future?" Stanfordi Műszaki Iskola. Np, n.d. Web. november 26 2014. < http://engineering.stanford.edu/research-profile/mark-brongersma-mse Archivált : 2015. szeptember 19., a Wayback Machine >.
  12. ↑ Ozbay, E. (2006-01-13). "Plazmonika: A fotonika és az elektronika egyesítése nanoméretű dimenziókban". tudomány . Amerikai Tudományfejlesztési Szövetség (AAAS). 311 (5758): 189-193. Bibcode : 2006Sci...311..189O . DOI : 10.1126/tudomány.1114849 . ISSN  0036-8075 . PMID  16410515 .
  13. ↑ Naik, Gururaj V. (2011-09-06). „Oxidok és nitridek, mint alternatív plazmonikus anyagok az optikai tartományban [Meghívva]”. Optikai anyagok Express . 1 (6): 1090-1099. arXiv : 1108.0993 . Bibcode : 2011OMEexp...1.1090N . DOI : 10.1364/ome.1.001090 . ISSN  2159-3930 .
  14. ↑ Vakil, A. (2011-06-09). "Transformációs optika grafén használatával". tudomány . Amerikai Tudományfejlesztési Szövetség (AAAS). 332 (6035): 1291-1294. Bibcode : 2011Sci...332.1291V . DOI : 10.1126/tudomány.1202691 . ISSN  0036-8075 . PMID  21659598 .
  15. ↑ Boriskina, Svetlana V. (2012). „A fényáramlás formálása nanoskálán: az örvény nanofogaskerekektől a fázisműködő plazmonikus gépekig”. Nano léptékű . Royal Society of Chemistry (RSC). 4 (1): 76-90. DOI : 10.1039/c1nr11406a . ISSN  2040-3364 . PMID22127488  _ _
  16. ↑ Ahn, Wonmi (2011.12.21.). „Elektromágneses mező javítása és spektrum alakítása plazmonikusan integrált optikai örvényeken keresztül”. Nano Letters . American Chemical Society (ACS). 12 (1): 219-227. DOI : 10.1021/nl203365y . ISSN  1530-6984 . PMID22171957  _ _
  17. ↑ SV Boriskina „Plazmonika csavarral: az optikai tornádók megszelídítése nanoskálán”, 12. fejezet: Plazmonika: elmélet és alkalmazások (TV Shahbazyan és MI Stockman szerk.) Springer 2013
  18. ↑ Veronis, Georges (2005-09-26). „Fém-dielektrikum-fém szubhullámhosszú plazmon hullámvezetők hajlításai és hasadásai”. Alkalmazott fizika betűi . AIP Publishing. 87 (13). Irodai kód : 2005ApPhL..87m1102V . DOI : 10.1063/1.2056594 . ISSN 0003-6951 . 
  19. ↑ Boriskina, Svetlana (2015-06-18). „A felületi plazmon polaritonok által közvetített, közeli sugárzási hőátvitel javítása és hangolhatósága vékony plazmonfilmekben.” fotonika . MDPI AG. 2 (2): 659-683. DOI : 10.3390/photonics2020659 . ISSN  2304-6732 .
  20. ↑ Challener, WA (2009-03-22). "Hővel segített mágneses rögzítés egy közeli térátalakítóval hatékony optikai energiaátvitellel." Természet fotonika . Springer Science and Business Media LLC. 3 (4): 220-224. Bibcode : 2009NaPho...3...220C . DOI : 10.1038/nphoton.2009.26 . ISSN  1749-4885 .
  21. ↑ Sorger, Volker J. (2012). "Az integrált plazmonikus áramkörök felé". MRS Bulletin . Cambridge University Press (CUP). 37 (8): 728-738. DOI : 10.1557/mrs.2012.170 . ISSN  0883-7694 .
  22. ↑ Verhagen, Ewold (2009.05.19.). "Nanowire plazmon gerjesztés adiabatikus módusú transzformációval". Fizikai áttekintő levelek . Amerikai Fizikai Társaság (APS). 102 (20). Irodai kód : 2009PhRvL.102t3904V . DOI : 10.1103/physrevlett.102.203904 . ISSN 0031-9007 . PMID 19519030 .  
  23. ↑ Dionne, JA (2006). „Nagyon korlátozott fotontranszport szubhullámhosszúságú fémréses hullámvezetőkben”. Nano Letters . American Chemical Society (ACS). 6 (9): 1928-1932. Bibcode : 2006NanoL...6.1928D . DOI : 10.1021/nl0610477 . ISSN  1530-6984 . PMID  16968003 .
  24. ↑ Steinberger, B. (2006-02-27). „Dielektromos csíkok az aranyon, mint felszíni plazmon hullámvezetők”. Alkalmazott fizika betűi . AIP Publishing. 88 (9). Irodai kód : 2006ApPhL..88i4104S . DOI : 10.1063/1.2180448 . ISSN 0003-6951 . 
  25. ↑ Krasavin, Alekszej V. (2010-05-19). „Szilícium alapú plazmonikus hullámvezetők”. Optika Express . Az Optikai Társaság. 18 (11): 11791-9. Irodai kód : 2010OExpr..1811791K . DOI : 10.1364/oe.18.011791 . ISSN 1094-4087 . PMID20589040 . _  
  26. ↑ Jung, K.-Y. (2009). „Surface Plasmon Coplanar Waveguides: Mode Characteristics and Mode Conversion Losses”. IEEE Photonics Technology Letters . Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). 21 (10): 630-632. Bibcode : 2009IPTL...21..630J . DOI : 10.1109/lpt.2009.2015578 . ISSN  1041-1135 .
  27. ↑ Bozsevolnyi, Szergej I. (2006). „Csatorna plazmon szubhullámhosszú hullámvezető komponensek, beleértve az interferométereket és a gyűrűrezonátorokat”. természet . tavaszi természet. 440 (7083): 508-511. Bibcode : 2006Natur.440..508B . DOI : 10.1038/nature04594 . ISSN  0028-0836 . PMID  16554814 .
  28. ↑ Pile, DFP (2005-08-08). „Erősen lokalizált plazmonok elméleti és kísérleti vizsgálata háromszög alakú fémékeken szubhullámhosszúság vezetésére”. Alkalmazott fizika betűi . AIP Publishing. 87 (6). Irodai kód : 2005ApPhL..87f1106P . DOI : 10.1063/1.1991990 . ISSN 0003-6951 . 
  29. ↑ Boriskina, SV (2011-02-07). „Spektrálisan és térben konfigurálható szuperlencsék optoplazmonikus nanoáramkörökhöz”. Proceedings of the National Academy of Sciences . 108 (8): 3147-3151. arXiv : 1110.6822 . Iránykód : 2011PNAS..108.3147B . DOI : 10.1073/pnas.1016181108 . ISSN 0027-8424 . PMID21300898 _ _  
  30. ↑ MZ Alam, J. Meier, JS Aitchison és M. Mojahedi, "Szuper módus terjedés alacsony indexű közegben", Papírazonosító: JThD112, CLEO/QELS 2007.
  31. ↑ Sorger, Volker J. (2011-05-31). „Az alacsony veszteségű optikai hullámvezetés kísérleti bemutatása mély szubhullámhossz-skálákon”. Természeti kommunikáció . Springer Science and Business Media LLC. 2 (1). Bibcode : 2011NatCo...2..331S . DOI : 10.1038/ncomms1315 . ISSN  2041-1723 .
  32. ↑ Oulton, RF (2008-07-11). „Hibrid plazmonikus hullámvezető szubhullámhossz-korlátozáshoz és nagy hatótávolságú terjedéshez”. Természet fotonika . Springer Science and Business Media LLC. 2 (8): 496-500. Bibcode : 2008NaPho...2.....O . DOI : 10.1038/nphoton.2008.131 . ISSN  1749-4885 .
  33. ↑ Alam, Muhammad Z. (2014-02-19). „Kényelmi házasság: A felületi plazmon és a dielektromos hullámvezető módok hibridizálása”. Lézer és fotonika vélemények . Wiley. 8 (3): 394-408. Iránykód : 2014LPRv ....8..394A . DOI : 10.1002/lpor.201300168 . ISSN  1863-8880 .
  34. ↑ Krenn, JR (2004-04-15). „Felszíni plazmon polaritonok fémcsíkokban és vezetékekben”. A Londoni Királyi Társaság filozófiai tranzakciói. A sorozat: Matematikai, fizikai és mérnöki tudományok . A Királyi Társaság. 362 (1817): 739-756. DOI : 10.1098/rsta.2003.1344 . ISSN  1364-503X . PMID  15306491 .
  35. ↑ González, MU (2006-04-13). „45°-os felszíni plazmon Bragg tükrök tervezése, közeli jellemzése és modellezése”. Fizikai áttekintés B. Amerikai Fizikai Társaság (APS). 73 (15). Irodai kód : 2006PhRvB..73o5416G . DOI : 10.1103/physrevb.73.155416 . ISSN 1098-0121 . 
  36. ↑ Pacifici, Domenico (2007). „Teljesen optikai moduláció CdSe kvantumpontok plazmonikus gerjesztésével”. Természet fotonika . tavaszi természet. 1 (7): 402-406. Bibcode : 2007NaPho...1..402P . DOI : 10.1038/nphoton.2007.95 . ISSN  1749-4885 .
  37. ↑ Wu, Zhi (2008-03-05). "Plazmonikus elektro-optikai modulátor kialakítás rezonáns fémrács segítségével." Optikai levelek . Az Optikai Társaság. 33 (6): 551-3. Bibcode : 2008OptL...33..551W . DOI : 10.1364/ol.33.000551 . ISSN  0146-9592 . PMID  18347706 .
  38. ↑ Nikolajsen, Thomas (2004-12-13). "Felületi plazmon polariton alapú modulátorok és kapcsolók, amelyek távközlési hullámhosszon működnek". Alkalmazott fizika betűi . AIP Publishing. 85 (24): 5833-5835. Irodai kód : 2004ApPhL..85.5833N . DOI : 10.1063/1.1835997 . ISSN 0003-6951 . 
  39. ↑ Volkov, Valentin S. (2006). „Kompakt fokozatos hajlítások csatornaplazmon polaritonokhoz”. Optika Express . Az Optikai Társaság. 14 (10): 4494-503. Bibcode : 2006OExpr..14.4494V . DOI : 10.1364/oe.14.004494 . ISSN  1094-4087 . PMID  19516603 .