Plasmonik

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 2 maj 2021; kontroller kräver 4 redigeringar .

Plasmonik eller nanoplasmonik [1] hänvisar till generering, detektering och bearbetning av signaler vid optiska frekvenser längs metall-dielektriska gränssnitt i nanometerområdet. [2] Förutom fotonik följer plasmonik trenden med miniatyrisering av optiska enheter (se nanofotonik ) och finner tillämpning inom avkänning, mikroskopi, optisk kommunikation och biofotonik . [3]

Principer

Plasmonik använder vanligtvis de så kallade ytplasmoniska polaritonerna (SPP) [2] , som är koherenta elektroniska svängningar som utbreder sig tillsammans med en elektromagnetisk våg längs gränsytan mellan ett dielektrikum och en metall. Förutsättningarna för uppkomsten av SPP beror till stor del på egenskaperna hos det ledande mediet. I synnerhet eftersom elektrongasen i metallen oscillerar tillsammans med den elektromagnetiska vågen, och de rörliga elektronerna sprids, uppstår ohmska förluster i de plasmoniska signalerna, vilket begränsar deras överföringsavstånd [4] . Detta gäller inte hybrid optoplasmoniska fibrer [5] [6] [7] eller plasmoniska nätverk med amplifiering [8] . Förutom SPPs finns det lokaliserade ytplasmonlägen som stöds av metallnanopartiklar . Båda effekterna kännetecknas av stora momenta, som tillåter en stark resonansökning i den lokala fotondensiteten i tillstånd [9] och kan användas för att förstärka svaga optiska effekter i optoelektroniska enheter.

Motivation och aktuella frågor

Ansträngningar görs för närvarande för att integrera plasmonik i antingen elektriska kretsar eller analoga elektriska kretsar för att kombinera elektronikens kompakthet med datakapaciteten hos fotoniska integrerade kretsar (PIC) . [10] Medan grindbredden på CMOS-noder som används för elektriska kretsar ständigt minskar, begränsas storleken på konventionella PIC:er av diffraktion , vilket skapar en barriär för deras vidare integration. I princip kan plasmonik övervinna denna storleksmissanpassning mellan elektroniska och fotoniska komponenter. Samtidigt kan fotonik och plasmonik komplettera varandra, eftersom optiska signaler under vissa förhållanden kan omvandlas till SPP och vice versa.

Ett av de största problemen med att implementera plasmonkretsar är det korta fortplantningsavståndet för ytplasmoner. Vanligtvis färdas ytplasmoner bara några millimeter innan signalsönderfall inträffar. [11] Detta beror till stor del på ohmska förluster, vars värde ökar när det elektriska fältet tränger igenom metallen. Forskare försöker minska utbredningsförlusterna hos ytplasmoner genom att använda olika material, geometrier, frekvenser och att variera egenskaperna hos det ledande mediet. [12] Nya lovande plasmoniska material med låg förlust inkluderar metalloxider och nitrider [13] såväl som grafen . [14] I utvecklingen är det viktigt att minska förlusterna genom att minska ytjämnheten.

En annan barriär som plasmoniska kretsar måste övervinna är värmegenereringen i plasmonkretsen, som kan eller inte kan överstiga värmegenereringen i komplexa elektroniska kretsar. [11] Det har nyligen föreslagits att minska värmen i plasmoniska nätverk genom att använda instängda optiska virvlar som sprider ljus genom mellanrummen mellan partiklar, vilket minskar absorption och ohmsk uppvärmning. [15] [16] [17] Det är också problematiskt att ändra riktningen för den plasmoniska signalen i kretsen utan en signifikant minskning av dess amplitud och utbredningsväg. [10] En av de lovande lösningarna på problemet med att ändra utbredningsriktningen för en plasmonisk signal är användningen av Bragg-speglar , inte bara för att ändra riktning, utan också som signalseparatorer. [arton]

Utöver ovanstående, nya tillämpningar av plasmonics för att kontrollera termisk emission [19] och uppvärmd magnetisk registrering [20] gör det möjligt att använda ohmska förluster i metaller för att erhålla enheter med ny utökad funktionalitet.

Plasmon vågledare

Optimering av designen av plasmoniska vågledare syftar till att öka både inneslutningen och utbredningsavståndet för ytplasmoner i plasmonkedjan. Ytplasmoniska polaritoner beskrivs av en komplex vågvektor med komponenter parallella och vinkelräta mot metall-dielektriska gränssnittet. Den imaginära delen av vågvektorkomponenten är omvänt proportionell mot utbredningslängden för SPP, och dess reella del bestämmer retentionen av SPP. [21] Dispersionsegenskaperna för en plasmonvåg beror på permittiviteten hos materialen som utgör vågledaren. Längden på utbredningsvägen och inneslutningen av ytplasmon-polaritonvågen är omvänt relaterade. Sålunda resulterar starkare modinneslutning i allmänhet i kortare utbredningsvägar. Konstruktionen av ett tillverkningsbart och användbart ytplasmonschema beror till stor del på en avvägning mellan förökning och inneslutning. Således är det nödvändigt att hitta en kompromiss mellan graden av modinneslutning och maximering av utbredningsavståndet för plasmonpolaritoner. På jakt efter ett plasmoniskt schema med stark inneslutning och en tillräcklig utbredningsväg har flera typer av vågledare skapats. Några av de vanligaste typerna inkluderar:

Förlustförlusterna som åtföljer SPP-utbredning i metaller kan minskas genom förstärkning eller hybridnätverk med fotoniska element som optiska fibrer och vågledare med kopplade kaviteter. En sådan design skulle kunna leda till en hybrid plasmonisk vågledare som uppvisar en subvåglängdsmod på skalan av en tiondel av ljusets diffraktionsgräns tillsammans med en acceptabel utbredningsväg. [30] [31] [32] [33]

Kommunikation

Plasmonkretsens in- och utgångsportar måste ta emot respektive sända optiska signaler. Detta kräver koppling och avkoppling av den optiska signalen med ytplasmonen. [34] Spridningsrelationen för en ytplasmon är mycket mindre än spridningsrelationen för ljus, vilket innebär att för att koppling ska ske måste ingångskopplaren ge momentumförstärkning från det inkommande ljuset till ytplasmon-polaritonvågorna som lanseras i plasmonen krets. [10] Implementeringen av detta krav finns i flera versioner, inklusive: användningen av dielektriska prismor, gitter eller lokaliserade spridningselement på metallytan, vilket ger kommunikation genom att matcha pulserna från det infallande ljuset och ytplasmonerna. [35] När en ytplasmon har skapats och skickats till sin destination kan den omvandlas till en elektrisk signal. Detta kan göras med en metallplan fotodetektor, eller genom att dela en ytplasmon till fritt spridande ljus, som sedan kan omvandlas till en elektrisk signal. Alternativt kan signalen kopplas till en optisk fiber eller vågledare.

Aktiva enheter

De framsteg som gjorts inom området för ytplasmoner under de senaste 50 åren har lett till utvecklingen av olika typer av enheter, både aktiva och passiva. Några av de mest lovande aktiva enheterna är optiska, termoptiska och elektrooptiska. Helt optiska enheter har visat sin genomförbarhet för informationsbehandling, datautbyte och datalagring när de används som en modulator. I ett av experimenten demonstrerades interaktionen mellan två ljusstrålar med olika våglängder under deras omvandling till samförökande ytplasmoner genom kvantprickar av kadmiumselenid . [36]

Elektrooptiska enheter kombinerar egenskaperna hos både optiska och elektriska enheter i form av en modulator. Speciellt har elektrooptiska modulatorer utvecklats med hjälp av höghastighetskopplade resonansmetallgitter och nanotrådar, som är baserade på långväga ytplasmoner (LRSP). [37]

Termo-optiska enheter som innehåller ett dielektriskt material vars brytningsindex ändras med temperaturen har också använts som interferometriska SPP-signalmodulatorer förutom riktkopplare. Det har visat sig att vissa termoptiska enheter kan använda LRSP-vågledaren, som finns längs guldremsor som är inbäddade i polymer och värms upp av elektriska signaler, som en modulator och riktningskopplare. [38]

Ett annat lovande område är användningen av spasers i nanoskala litografi, sondering och mikroskopi.

Passiva enheter

Tillsammans med aktiva komponenter i användningen av plasmoniska kretsar kan passiva kretsar också integreras med elektriska kretsar, men detta utgör en komplex teknisk utmaning. Många passiva element, såsom prismor , linser och stråldelare, kan implementeras i ett plasmoniskt schema, men deras tillverkning i nanoskala har visat sig vara en svår uppgift och en som har oönskade konsekvenser. Betydande frikopplingsförluster kan uppstå när ett brytningselement med ett annat brytningsindex används. Vissa åtgärder har vidtagits för att minimera förlusterna samtidigt som de fotoniska komponenternas kompakthet maximeras. Ett sätt att lösa problemet är baserat på användningen av Bragg-reflektorer eller speglar, bestående av en sekvens av plan, för att styra strålen av ytplasmoner. Optimerade Bragg-reflektorer kan reflektera nästan 100 % av den inkommande effekten. [10] En annan metod som används för att skapa kompakta fotoniska komponenter är baserad på CPP-vågledare, eftersom de har visat stark modklippning med acceptabla förluster på mindre än 3 dB under vågklippningsförhållanden för elektriska kretsar. [40] Att minska förlusterna och maximera kompaktheten hos passiva och aktiva enheter kan skapa potential för att använda plasmoniska kretsar i framtiden.

Länkar

Se även

Anteckningar

  1. ↑ Novotny, Lukas; Hecht, Bert. Principer för  nanooptik . - Cambridge University Press, 2012. - ISBN 9780511794193 .
  2. ↑ 1 2 Maier, SA (2001). "Plasmonics-A Route to Nanoscale Optical Devices". avancerade material . 13 (19): 1501-1505. DOI : 10.1002/1521-4095(200110)13:19<1501::AID-ADMA1501>3.0.CO;2-Z . ISSN  0935-9648 .
  3. ↑ Gramotnev, Dmitri K. (2010). Plasmonik bortom diffraktionsgränsen. Naturfotonik . 4 (2): 83-91. Bibcode : 2010NaPho...4...83G . DOI : 10.1038/nphoton.2009.282 . ISSN  1749-4885 .
  4. ↑ Barnes, William L (2006-03-21). "Ytplasmon-polariton längdskalor: en väg till sub-våglängdsoptik." Journal of Optics A: Pure and Applied Optics . IOP-publicering. 8 (4): S87-S93. DOI : 10.1088/1464-4258/8/4/s06 . ISSN  1464-4258 .
  5. ↑ Boriskina, SV (2011-02-07). "Spektralt och rumsligt konfigurerbara superlinser för optoplasmoniska nanokretsar". Proceedings of the National Academy of Sciences . Proceedings of the National Academy of Sciences USA. 108 (8): 3147-3151. arXiv : 1110.6822 . Bibcode : 2011PNAS..108.3147B . DOI : 10.1073/pnas.1016181108 . ISSN  0027-8424 . PMID21300898  . _
  6. ↑ 1 2 Ahn, Wonmi (2013-04-25). "Demonstration av effektiv fotonöverföring på chip i självmonterade optoplasmoniska nätverk." 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). "Nanopartikelbaserad proteindetektion genom optisk förskjutning av en resonant mikrokavitet". Bokstäver i tillämpad fysik . AIP-publicering. 99 (7). arXiv : 1108.2337 . Bibcode : 2011ApPhL..99g3701S . DOI : 10.1063/1.3599706 . ISSN  0003-6951 .
  8. ↑ Grandidier, Jonathan (2009-08-12). "Gain-Assisted Propagation in a Plasmonic Waveguide at Telecom Wavelength". Nanobokstäver . American Chemical Society (ACS). 9 (8): 2935-2939. Bibcode : 2009NanoL...9.2935G . DOI : 10.1021/nl901314u . ISSN  1530-6984 . PMID  19719111 .
  9. ↑ SV Boriskina, H. Ghasemi och G. Chen, Materials Today, vol. 16, sid. 379-390, 2013
  10. ↑ 1 2 3 4 Ebbesen, Thomas W. (2008). "Ytplasmonkretsar". Fysik idag . 61 (5): 44-50. Bibcode : 2008PhT....61e..44E . DOI : 10.1063/1.2930735 . ISSN  0031-9228 .
  11. ↑ 1 2 Brongersma, Mark. "Är Plasmonics Circuitry Wave of Future?" Stanford School of Engineering. Np, n.d. Web. 26 nov 2014. < http://engineering.stanford.edu/research-profile/mark-brongersma-mse Arkiverad 19 september 2015 på Wayback Machine >.
  12. ↑ Ozbay, E. (2006-01-13). "Plasmonics: Merging Photonics and Electronics at Nanoscale Dimensions". vetenskap . American Association for the Advancement of Science (AAAS). 311 (5758): 189-193. Bibcode : 2006Sci...311..189O . DOI : 10.1126/science.1114849 . ISSN  0036-8075 . PMID  16410515 .
  13. ↑ Naik, Gururaj V. (2011-09-06). "Oxider och nitrider som alternativa plasmoniska material i det optiska området [inbjuden]". Optical Materials Express . 1 (6): 1090-1099. arXiv : 1108.0993 . Bibcode : 2011OMExp...1.1090N . DOI : 10.1364/ome.1.001090 . ISSN  2159-3930 .
  14. ↑ Vakil, A. (2011-06-09). "Transformationsoptik med grafen". vetenskap . American Association for the Advancement of Science (AAAS). 332 (6035): 1291-1294. Bibcode : 2011Sci...332.1291V . DOI : 10.1126/science.1202691 . ISSN  0036-8075 . PMID  21659598 .
  15. ↑ Boriskina, Svetlana V. (2012). "Forma ljusflödet på nanoskala: från virvelnanodrev till fasstyrda plasmoniska maskineri". Nanoskala . Royal Society of Chemistry (RSC). 4 (1): 76-90. DOI : 10.1039/c1nr11406a . ISSN  2040-3364 . PMID22127488  . _
  16. ↑ Ahn, Wonmi (2011-12-21). "Elektromagnetiskt fältförstärkning och spektrumformning genom plasmoniskt integrerade optiska virvlar". Nanobokstäver . American Chemical Society (ACS). 12 (1): 219-227. DOI : 10.1021/nl203365y . ISSN  1530-6984 . PMID22171957  . _
  17. ↑ SV Boriskina "Plasmonics with a twist: taming optical tornadoes on the nanoscale," kapitel 12 i: Plasmonics: Theory and applications (TV Shahbazyan och MI Stockman Eds.) Springer 2013
  18. ↑ Veronis, Georges (2005-09-26). "Böjer och delar i metall-dielektrisk-metall subvåglängd plasmoniska vågledare". Bokstäver i tillämpad fysik . AIP-publicering. 87 (13). Bibcode : 2005ApPhL..87m1102V . DOI : 10.1063/1.2056594 . ISSN  0003-6951 .
  19. ↑ Boriskina, Svetlana (2015-06-18). "Förbättring och avstämbarhet av strålningsvärmeöverföring i närområdet som förmedlas av ytplasmonpolaritoner i tunna plasmoniska filmer." fotonik . MDPI AG. 2 (2): 659-683. DOI : 10.3390/photonics2020659 . ISSN  2304-6732 .
  20. ↑ Challener, WA (2009-03-22). "Värmeassisterad magnetisk inspelning av en närfältsgivare med effektiv optisk energiöverföring." Naturfotonik . 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). "Mot integrerade plasmoniska kretsar". 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 Plasmon Excitation genom Adiabatic Mode Transformation". Fysiska granskningsbrev . American Physical Society (APS). 102 (20). Bibcode : 2009PhRvL.102t3904V . DOI : 10.1103/physrevlett.102.203904 . ISSN  0031-9007 . PMID  19519030 .
  23. ↑ Dionne, JA (2006). "Högt begränsad fotontransport i subvåglängds metalliska spårvågledare". Nanobokstäver . 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). "Dielektriska ränder på guld som ytplasmonvågledare". Bokstäver i tillämpad fysik . AIP-publicering. 88 (9). Bibcode : 2006ApPhL..88i4104S . DOI : 10.1063/1.2180448 . ISSN  0003-6951 .
  25. ↑ Krasavin, Alexey V. (2010-05-19). "Kiselbaserade plasmoniska vågledare". Optik Express . Optiska sällskapet. 18 (11): 11791-9. Bibcode : 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 Loses". IEEE Photonics Technology Letters . Institutet för el- och elektronikingenjörer (IEEE). 21 (10): 630-632. Bibcode : 2009IPTL...21..630J . DOI : 10.1109/lpt.2009.2015578 . ISSN  1041-1135 .
  27. ↑ Bozhevolnyi, Sergey I. (2006). "Kanalplasmonsubvåglängdsvågledarkomponenter inklusive interferometrar och ringresonatorer". naturen . springer natur. 440 (7083): 508-511. Bibcode : 2006Natur.440..508B . DOI : 10.1038/nature04594 . ISSN  0028-0836 . PMID  16554814 .
  28. ↑ Pile, DFP (2005-08-08). "Teoretisk och experimentell undersökning av starkt lokaliserade plasmoner på triangulära metallkilar för subvåglängdsvågledning". Bokstäver i tillämpad fysik . AIP-publicering. 87 (6). Bibcode : 2005ApPhL..87f1106P . DOI : 10.1063/1.1991990 . ISSN  0003-6951 .
  29. ↑ Boriskina, SV (2011-02-07). "Spektralt och rumsligt konfigurerbara superlinser för optoplasmoniska nanokretsar". Proceedings of the National Academy of Sciences . 108 (8): 3147-3151. arXiv : 1110.6822 . Bibcode : 2011PNAS..108.3147B . DOI : 10.1073/pnas.1016181108 . ISSN  0027-8424 . PMID21300898  . _
  30. ↑ MZ Alam, J. Meier, JS Aitchison och M. Mojahedi, "Super mode propagation in low index medium", Paper ID: JThD112, CLEO/QELS 2007.
  31. ↑ Sorger, Volker J. (2011-05-31). "Experimentell demonstration av optisk vågledning med låg förlust vid djupa subvåglängdsskalor". Naturkommunikation . 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). "En hybrid plasmonisk vågledare för subvåglängdsinneslutning och långdistansutbredning". Naturfotonik . 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). "Ett bekvämlighetsäktenskap: Hybridisering av ytplasmon och dielektriska vågledarlägen". Laser & Photonics Recensioner . Wiley. 8 (3): 394-408. Bibcode : 2014LPRv....8..394A . DOI : 10.1002/lpor.201300168 . ISSN  1863-8880 .
  34. ↑ Krenn, JR (2004-04-15). "Ytplasmonpolaritoner i metallränder och trådar". Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Serie A: Matematisk, fysikalisk och ingenjörsvetenskap . Royal Society. 362 (1817): 739-756. DOI : 10.1098/rsta.2003.1344 . ISSN  1364-503X . PMID  15306491 .
  35. ↑ González, MU (2006-04-13). "Design, närfältskarakterisering och modellering av 45° ytplasmon Bragg-speglar". Fysisk granskning B. American Physical Society (APS). 73 (15). Bibcode : 2006PhRvB..73o5416G . DOI : 10.1103/physrevb.73.155416 . ISSN  1098-0121 .
  36. ↑ Pacifici, Domenico (2007). "All-optisk modulering genom plasmonisk excitation av CdSe-kvantprickar". Naturfotonik . springer natur. 1 (7): 402-406. Bibcode : 2007NaPho...1..402P . DOI : 10.1038/nphoton.2007.95 . ISSN  1749-4885 .
  37. ↑ Wu, Zhi (2008-03-05). "Plasmonisk elektrooptisk modulatordesign med ett resonant metallgitter." Optik bokstäver . Optiska sällskapet. 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). "Ytplasmonpolaritonbaserade modulatorer och switchar som arbetar vid telekomvåglängder". Bokstäver i tillämpad fysik . AIP-publicering. 85 (24): 5833-5835. Bibcode : 2004ApPhL..85.5833N . DOI : 10.1063/1.1835997 . ISSN  0003-6951 .
  39. ↑ Volkov, Valentyn S. (2006). "Kompakta gradvisa böjar för kanalplasmonpolaritoner". Optik Express . Optiska sällskapet. 14 (10): 4494-503. Bibcode : 2006OExpr..14.4494V . DOI : 10.1364/oe.14.004494 . ISSN  1094-4087 . PMID  19516603 .