Plasmonisk metamateriale - Plasmonic metamaterial

Et plasmonisk metamateriale er et metamateriale som bruker overflateplasmoner for å oppnå optiske egenskaper som ikke er sett i naturen. Plasmons er produsert av vekselvirkningen av lys med metall og dielektriske materialer. Under spesifikke forhold parrer det innfallende lyset med overflateplasmonene for å lage selvbærende, forplantende elektromagnetiske bølger kjent som overflate plasmon polaritons (SPPs). Når de er lansert, kruser SPP-ene langs det metall-dielektriske grensesnittet. Sammenlignet med det innfallende lyset kan SPP -ene være mye kortere i bølgelengden.

Egenskapene stammer fra den unike strukturen til metall-dielektriske kompositter, med trekk som er mindre enn lysets bølgelengde atskilt med subbølgelengdeavstander . Lys som treffer et slikt metamateriale omdannes til plasmon polaritoner på overflaten, som er kortere i bølgelengden enn det innfallende lyset.

Plasmoniske materialer

Plasmoniske materialer er metaller eller metalllignende materialer som viser negativ reell permittivitet . De vanligste plasmoniske materialene er gull og sølv. Imidlertid viser mange andre materialer metalllignende optiske egenskaper i spesifikke bølgelengdeområder. Ulike forskningsgrupper eksperimenterer med forskjellige tilnærminger for å lage plasmoniske materialer som viser lavere tap og avstembare optiske egenskaper.

Negativ indeks

Plasmoniske metamaterialer er realiseringer av materialer som først ble foreslått av Victor Veselago, en russisk teoretisk fysiker, i 1967. Også kjent som venstrehendte eller negative indeksmaterialer, teoretiserte Veselago at de ville ha optiske egenskaper motsatt de av glass eller luft. I negative indeksmaterialer transporteres energi i en retning motsatt den for å forplante bølgefronter , i stedet for å parallelle dem, slik det er tilfelle i positive indeksmaterialer.

Normalt bøyer lys fra f.eks. Luft til vann når det passerer gjennom normalen (et plan vinkelrett på overflaten) og kommer inn i vannet. I kontrast vil lys som når et negativt indeksmateriale gjennom luft, ikke krysse normalen. Den ville snarere bøye motsatt vei.

Negativ brytning ble først rapportert for mikrobølgeovn og infrarøde frekvenser. Den negative brytningsindeksen i det optiske området ble først demonstrert i 2005 av Shalaev et al. (ved telekombølgelengden λ = 1,5 um) og av Brueck et al. (ved λ = 2 μm) på nesten samme tid. I 2007 rapporterte et samarbeid mellom California Institute of Technology og NIST om et smalt bånd, negativ brytning av synlig lys i to dimensjoner.

For å opprette denne responsen kobler innfallende lys seg til de bølgende, gasslignende ladningene (plasmoner) som normalt ligger på overflaten av metaller. Denne foton-plasmon-interaksjonen resulterer i SPP-er som genererer intense, lokaliserte optiske felt. Bølgene er begrenset til grensesnittet mellom metall

og isolator. Denne smale kanalen fungerer som en transformativ guide som faktisk fanger og komprimerer bølgelengden til innkommende lys til en brøkdel av den opprinnelige verdien.

Nanomekaniske systemer som inneholder metamaterialer viser negativt strålingstrykk .

Lys som faller på konvensjonelle materialer, med en positiv brytningsindeks, utøver et positivt trykk, noe som betyr at det kan skyve et objekt bort fra lyskilden. I kontrast bør lysende negative indeksmetamaterialer generere et undertrykk som trekker et objekt mot lys.

Tredimensjonal negativ indeks

Datasimuleringer forutsier plasmoniske metamaterialer med en negativ indeks i tre dimensjoner. Potensielle fabrikasjonsmetoder inkluderer avlagring av tynnfilm i flere lag , fokusert ionestråfresing og selvmontering .

Gradientindeks

PMMer kan lages med en gradientindeks (et materiale hvis brytningsindeks varierer gradvis over lengden eller arealet av materialet). Et slikt materiale involverte avsetning av en termoplast , kjent som PMMA , på en gulloverflate via elektronstråle litografi .

Hyperbolsk

Hyperboliske metamaterialer oppfører seg som et metall når lys passerer gjennom det i en retning og som et dielektrikum når lyset passerer i vinkelrett retning, kalt ekstrem anisotropi . Materialets spredningsforhold danner en hyperboloid . Den tilhørende bølgelengden kan i prinsippet være uendelig liten. Nylig har hyperboliske metasurfaces i det synlige området blitt demonstrert med sølv- eller gullnanostrukturer ved hjelp av litografiske teknikker. De rapporterte hyperboliske enhetene viste flere funksjoner for sansing og avbildning, f.eks. Diffraksjonsfrie, negative brytninger og forbedrede plasmonresonanseeffekter, muliggjort av deres unike optiske egenskaper. Disse spesifikke egenskapene er også svært påkrevd for å produsere integrerte optiske metakretser for kvanteinformasjonsapplikasjonene.

Isotropi

De første metamaterialene som ble opprettet, viser anisotropi i effektene på plasmoner. Dvs de handler bare i en retning.

Mer nylig brukte forskere en ny selvfoldende teknikk for å lage et tredimensjonalt utvalg av split-ringresonatorer som viser isotropi når de roteres i en hvilken som helst retning opp til en hendelsesvinkel på 40 grader. Å eksponere strimler av nikkel og gull avsatt på et polymer/silisiumsubstrat for luft tillot mekaniske påkjenninger å krølle strimlene til ringer og danne resonatorene. Ved å arrangere strimlene i forskjellige vinkler til hverandre, ble det oppnådd 4 ganger symmetri, noe som gjorde at resonatorene kunne produsere effekter i flere retninger.

Materialer

Silisiumsmørbrød

Negativ brytning for synlig lys ble først produsert i en sandwichlignende konstruksjon med tynne lag. Et isolerende ark med silisiumnitrid ble dekket av en sølvfilm og underlagt en annen av gull. Den kritiske dimensjonen er tykkelsen på lagene, som summeres til en brøkdel av bølgelengden til blått og grønt lys . Ved å innlemme dette metamaterialet i integrert optikk på en IC -brikke , ble negativ brytning demonstrert over blå og grønne frekvenser. Det kollektive resultatet er en relativt signifikant respons på lys.

Graphene

Grafen rommer også overflateplasmoner, observert via nærfelt infrarød optisk mikroskopi teknikk og infrarød spektroskopi . Potensielle anvendelser av grafenplasmonikk involverer terahertz til mellominfrarøde frekvenser, i enheter som optiske modulatorer , fotodetektorer og biosensorer .

Supergitter

Et hyperbolsk metamateriale laget av titannitrid (metall) og aluminiumskandiumnitrid (dielektrisk) har kompatible krystallstrukturer og kan danne et supergitter , en krystall som kombinerer to (eller flere) materialer. Materialet er kompatibelt med eksisterende CMOS -teknologi (i motsetning til tradisjonelt gull og sølv), mekanisk sterkt og termisk stabilt ved høyere temperaturer. Materialet viser høyere fotoniske tettheter av tilstander enn Au eller Ag. Materialet er en effektiv lysabsorber.

Materialet ble laget ved hjelp av epitaxy inne i et vakuumkammer med en teknikk kjent som magnetronsputring . Materialet inneholdt ultratynne og ekstremt glatte lag med skarpe grensesnitt.

Mulige applikasjoner inkluderer en "plan hyperlens " som kan gjøre optiske mikroskoper i stand til å se objekter så små som DNA , avanserte sensorer, mer effektive solfangere, nano-resonatorer, kvanteberegning og diffraksjonsfri fokusering og bildebehandling.

Materialet fungerer på tvers av et bredt spekter fra nær-infrarødt til synlig lys. Nær-infrarød er avgjørende for telekommunikasjon og optisk kommunikasjon, og synlig lys er viktig for sensorer, mikroskoper og effektive solid-state lyskilder.

applikasjoner

Mikroskopi

En potensiell applikasjon er mikroskopi utover diffraksjonsgrensen . Gradientindeksplasmonikk ble brukt til å produsere Luneburg og Eaton -linser som interagerer med overflate plasmon polaritoner i stedet for fotoner.

En teoretisert superlens kan overstige diffraksjonsgrensen som forhindrer standard (positiv-indeks) linser fra løse objekter som er mindre enn halvparten av bølgelengden av synlig lys . En slik superlens ville fange opp romlig informasjon som ikke er synlig for konvensjonelle optiske mikroskoper . Flere tilnærminger til å bygge et slikt mikroskop er blitt foreslått. Subbølgelengden domenet kan være optiske brytere , modulatorer, fotodetektorer og retningsbestemte lysemittere.

Biologisk og kjemisk sansing

Andre proof-of-concept-applikasjoner som er under vurdering involverer biologisk og kjemisk sensing med høy sensitivitet . De kan muliggjøre utvikling av optiske sensorer som utnytter inneslutning av overflateplasmoner i en bestemt type Fabry-Perot nano-resonator. Denne skreddersydde innesperringen tillater effektiv deteksjon av spesifikke bindinger av målkjemiske eller biologiske analytter ved å bruke den romlige overlappingen mellom den optiske resonatormodusen og analytligandene som er bundet til resonatorhulens sidevegger. Strukturene er optimalisert ved bruk av endelige differensetids- elektromagnetiske simuleringer , fremstilt ved hjelp av en kombinasjon av elektronstråle litografi og galvanisering , og testet ved bruk av både nærfelt og fjernfelt optisk mikroskopi og spektroskopi .

Optisk databehandling

Optisk databehandling erstatter elektroniske signaler med lysbehandlingsenheter.

I 2014 kunngjorde forskere en 200 nanometer, terahertz hastighets optisk bryter. Bryteren er laget av et metamateriale som består av nanoskala partikler av vanadiumdioksid ( VO
2), en krystall som bytter mellom en ugjennomsiktig, metallisk fase og en gjennomsiktig, halvledende fase. Nanopartiklene deponeres på et glassunderlag og overlates av enda mindre gullnanopartikler som fungerer som en plasmonisk fotokatode .

Femtosekundlaser pulserer frie elektroner i gullpartiklene som hopper inn i VO
2 og forårsake en subpikosekundfaseendring.

Enheten er kompatibel med dagens integrerte krets-teknologi, silisiumbaserte chips og high-K dielektriske materialer. Den opererer i det synlige og nær-infrarøde området i spekteret. Den genererer bare 100 femtojoules/bit/drift, slik at bryterne kan pakkes tett.

Fotovoltaikk

Gullgruppemetaller (Au, Ag og Cu) har blitt brukt som direkte aktive materialer i solceller og solceller. Materialene fungerer samtidig som elektron- og hulldonor, og kan dermed klemmes mellom elektron- og hulltransportlag for å lage en fotovoltaisk celle. For tiden tillater disse fotovoltaiske cellene å drive smarte sensorer for tingenes internett (IoT) -plattform.

Se også

Referanser

Videre lesning

Eksterne linker