Forskere udvikler ny teknik til produktion af plasmonics-enheder

Forskningslaboratorier udvikler konstant nye materialer, der forventes at udvise nye egenskaber, der er bundet til at revolutionere denne eller hin teknologi. Men det er ikke nok blot at skabe disse materialer; videnskabsmænd skal også finde effektive metoder til behandling og finjustering af dem. I øvrigt, kompositter fremstilles ofte ved tilsætning af nanopartikler til en basismatrix, Derfor er det nødvendigt at finde en måde at manipulere placeringen på, størrelse, og koncentrationshastighed af disse partikler, der ville udelukke selv de mindste afvigelser, der er usynlige for det menneskelige øje.

Forskere fra ITMO University har forbedret teknikken til lokal behandling af kompositter baseret på nanoporøst glas med tilsætning af sølv og kobber. Nu, det er muligt med høj nøjagtighed at forudsige de optiske egenskaber af en plasmonisk komponent under dens behandling. Denne forskning blev offentliggjort i Nanomaterialer .

I årtusinder, menneskeheden måtte tilpasse sig de materialer, den havde til sin rådighed:metaller, træ, sten, mineraler, osv. I dag, mennesker har lært at tilpasse de materialer, de har til deres egne behov, skabe kompositmaterialer ud af flere komponenter. Disse materialer har nye egenskaber og åbner op for nye muligheder. De har et stort potentiale for brug i optiske enheder såsom lasere, lidarer, sensorer, linser, bølgeledere, og andre enheder, der behandler lyssignaler. I særdeleshed, forskere har store forhåbninger til glas forstærket med metalnanopartikler.

"Sådanne materialer kan bruges som optiske filtre, " forklarer Pavel Varlamov, en forskningsingeniør ved Fakultetet for Laserfotonik og Optoelektronik. "Hvidt lys, som vi ved, består af et stort antal bølgelængder, og du skal muligvis, for eksempel, fremhæve eller ekskludere et bestemt spektrumbånd, som blå eller gul. Det er hvad optiske filtre er til, og de kan bruges i lasere, refraktorer, linser, eller bølgeledere."

Afhængigt af hvilket metals ioner der tilsættes glas, den resulterende komposit kan bruges til at manipulere forskellige dele af spektret. For eksempel, hvis du skulle tilføje nanopartikler af sølv og kobber i glas, det ville absorbere stråling i det blågrønne bånd. Men at tilføje sølv og kobber nanopartikler til almindeligt glas, såsom den slags, der bruges til at lave vinduer eller køkkenudstyr, ville være en kompleks og dyr proces, der involverer adskillige kemiske reaktioner. Det er derfor, forskerne foretrækker at bruge specielt nanoporøst glas til disse formål.

Når nanopartikler er blevet "passet" ind i porerne, materialet ændres med laserstråling for at forstærke det med nye optiske egenskaber, der gør det muligt, for eksempel, at kontrollere lysspektret nøjagtigt ved at transmittere eller absorbere lysstråler fra et specifikt bånd.

Men der er et problem:under behandlingen beregnet til at "lime sammen" komponenterne i et nyt materiale, metal nanopartikler ændrer deres form og endda deres kemiske sammensætning. Gennem hele processen, materiale ændrer den måde, det interagerer med laserstråling på; i det væsentlige, det begynder at absorbere stråling bedre inden for et specifikt bånd af spektret. Dette giver flere udfordringer for behandlingsprocessen. En laser kan ikke blot indstilles til bestemte værdier og derefter bruges til at behandle materialet fra start til slut; den skal løbende tilpasses de ændringer, der sker inden for materialet.

"Den metode, vi har foreslået, gør det muligt at skabe voluminøse mikroskalaelementer med en plasmonisk resonansspids, der kan kontrolleres i realtid, " siger Roman Zakoldaev, en forsker ved Fakultetet for Laserfotonik og Optoelektronik. "Metoden har til formål at optimere parametrene for laserændring via feedback."

For at justere laserens ydeevne under hele behandlingen, videnskabsmænd skal øjeblikkeligt udføre komplekse beregninger af ændringer, der allerede er sket, og de ændringer, der skal foretages i laserens indstillinger. For det, de har brug for en fleksibel fysisk-matematisk model; en sådan model er blevet grundlaget for en algoritme designet til at styre behandlingen af ​​disse materialer.

Forskerne fra ITMO University har foreslået en matematisk model, der vil tage højde for styrken af ​​strålingen og de ændringer, den forårsager i materialet. Dette giver forskerne mulighed for at producere materialer med de nøjagtige optiske egenskaber, som oprindeligt blev indregnet i beregningerne.

"Vi var i stand til at foreslå en beregningsalgoritme, der præsenterer den elektroniske struktur, størrelse, og koncentration af nanopartikler med materialets optiske egenskaber som ét effektivt miljø (?), " siger Maksim Sergeev. "Ved at bruge algoritmen sammen med en model for diffusionskontrolleret vækst af partikler har vi gjort det muligt for os at spore de optiske ændringer i laserbehandling i realtid."

Den foreslåede metode ville gøre skabelsen af ​​unikke optiske plasmoniske komponenter billig og nem at håndtere, åbne nye muligheder for deres integration i industriel produktion.