Forskere annoncerer søgen efter materialer med højt indeks

En antenne er en enhed, der effektivt kan sende, samler op, og omdirigere elektromagnetisk stråling. Typisk, antenner er makroskopiske enheder, der opererer i radio- og mikrobølgeområdet. Imidlertid, der er lignende optiske enheder (fig. 1). Bølgelængderne for synligt lys udgør flere hundrede nanometer. Som en konsekvens, optiske antenner er, af nødvendighed, nanoserede enheder. Optiske nanoantenner, som kan fokusere, direkte, og effektivt overføre lys, har en bred vifte af applikationer, herunder informationsoverførsel over optiske kanaler, fotodetektion, mikroskopi, biomedicinsk teknologi, og endda fremskynde kemiske reaktioner.

For at en antenne kan opfange og transmittere signaler effektivt, dens elementer skal være resonans. I radiobandet, sådanne elementer er trådstykker. I det optiske område, sølv og guld nanopartikler med plasmoniske resonanser (fig. 2a) har længe været brugt til dette formål. Elektromagnetiske felter i sådanne partikler kan lokaliseres på en skala på 10 nanometer eller mindre, men det meste af feltets energi går til spilde på grund af Joule-opvarmning af det ledende metal. Partikler af dielektriske materialer såsom silicium med høje brydningsindekser ved synlige lysfrekvenser udgør et nyt alternativ til plasmoniske nanopartikler. Når størrelsen på den dielektriske partikel og lysets bølgelængde er helt rigtige, partiklen understøtter optiske resonanser kaldet Mie -resonanser (fig. 2b). Fordi dielektrikers materialegenskaber er forskellige fra metaller, det er muligt at reducere resistiv opvarmning betydeligt ved at erstatte plasmoniske nanoantenner med dielektriske analoger.

Hovedkarakteristikken for et materiale, der bestemmer Mie -resonansparametre, er brydningsindekset. Partikler fremstillet af materialer med høje brydningsindekser har resonanser karakteriseret ved høje kvalitetsfaktorer. Det betyder, at i disse materialer, elektromagnetiske svingninger varer længere uden ekstern excitation. Ud over, højere brydningsindeks svarer til mindre partikeldiametre, muliggør optiske miniaturenheder. Disse faktorer gør materialer med højt indeks-dvs. dem med høje brydningsindeks - mere velegnede til implementering af dielektriske nanoantenner.

I deres papir offentliggjort i Optica , forskerne undersøger systematisk de tilgængelige materialer med højt indeks med hensyn til deres resonanser i de synlige og infrarøde spektrale områder. Materialer af denne art omfatter halvledere og polære krystaller som siliciumcarbid. For at illustrere forskellige materialers opførsel, forfatterne præsenterer deres tilknyttede kvalitetsfaktorer, der angiver, hvor hurtigt svingninger, der ophidses af indfaldende lys, dør ud. Teoretisk analyse gjorde det muligt for forskerne at identificere krystallinsk silicium som det bedste tilgængelige materiale til realisering af dielektriske antenner, der opererer i det synlige område. Germanium klarede sig bedre end andre materialer i det infrarøde bånd. I den mellem-infrarøde del af spektret, en forbindelse af germanium og tellur udført højest (fig. 3).

Der er grundlæggende begrænsninger for værdien af ​​kvalitetsfaktoren. Det viser sig, at høje brydningsindekser i halvledere er forbundet med interband-overgange af elektroner, som uundgåeligt indebærer absorption af energi båret af det indfaldende lys. Denne absorption fører igen til en reduktion af kvalitetsfaktoren, samt varme, som forskerne forsøger at kaste. Der er, derfor, en delikat balance mellem et højt brydningsindeks og energitab.

"Denne undersøgelse giver det mest komplette billede af materialer med højt indeks, viser, hvilken af ​​dem der er optimal til fremstilling af en nanoantenna, der opererer i dette spektrale område, og fordi den giver en analyse af de involverede fremstillingsprocesser, " siger Dmitry Zuev, forsker ved Metamateriale-laboratoriet på Det Fysiske og Tekniske Fakultet, ITMO University. "Dette gør det muligt for os at vælge et materiale, samt den ønskede fremstillingsteknik, under hensyntagen til de krav, der stilles af deres specifikke situation. Dette er et kraftfuldt værktøj, der fremmer design og eksperimentel realisering af en bred vifte af dielektriske nanofotoniske enheder."

Ifølge oversigten over fremstillingsteknikker, silicium, germanium, og galliumarsenid er de mest grundigt studerede højindeks-dielektriske stoffer, der bruges i nanofotonik. En bred vifte af metoder er tilgængelige til fremstilling af resonante nanoantenner baseret på disse materialer, herunder litografisk, kemisk, og laserassisterede metoder. Imidlertid, i tilfælde af nogle materialer, ingen teknologi til fremstilling af resonante nanopartikler er blevet udviklet. For eksempel, forskere mangler endnu at finde på måder at lave nanoantenner fra germanium telluride, hvis egenskaber i det mellem-infrarøde område blev anset for at være de mest attraktive af den teoretiske analyse.

"Silicium er i øjeblikket, ud over enhver tvivl, det mest udbredte materiale i dielektrisk nanoantenna -fremstilling, "siger Denis Baranov, en ph.d. studerende på MIPT. "Det er overkommeligt, og siliciumbaserede fremstillingsteknikker er veletablerede. Også, og det er vigtigt, det er kompatibelt med CMOS -teknologien, en industristandard inden for halvlederteknik. Men silicium er ikke den eneste mulighed. Andre materialer med endnu højere brydningsindeks i det optiske område kan eksistere. Hvis de opdages, dette ville betyde gode nyheder for dielektrisk nanofotonik. "

Forskningsresultaterne opnået af teamet kunne bruges af nanofotoniske ingeniører til at udvikle nye resonante nanoantenner baseret på dielektriske materialer med højt indeks. Derudover papiret foreslår yderligere teoretisk og eksperimentelt arbejde afsat til søgning efter andre materialer med højt indeks med overlegne egenskaber, der skal bruges i nye forbedrede dielektriske nanoantenner. Sådanne materialer kunne, blandt andet, bruges til betydeligt at øge effektiviteten af ​​strålingskøling af solceller, hvilket ville udgøre et vigtigt teknologisk fremskridt.