Siliciumnanopartikler baner vejen mod nanoskala-lysemittere

Forskere fra MIPT, ITMO University (Skt Petersborg), og deres kolleger fra Australian National University har eksperimentelt påvist, at siliciumnanopartikler kan øge Raman-effektens intensitet betydeligt. Disse resultater kunne bidrage til udviklingen af ​​nanoskala lysgivere og nanoskala forstærkere til fiberoptiske telekommunikationslinjer. Resultaterne af undersøgelsen er blevet offentliggjort i Nanoskala .

Som regel, når lys interagerer med stof, det skifter ikke farve, dvs. lysets bølgelængde forbliver den samme. Der er undtagelser, imidlertid, og en af ​​dem er den såkaldte Raman-effekt. I dette tilfælde, indfaldende lys interagerer med et molekyle på en sådan måde, at molekylets energi stiger med en værdi, der svarer til molekylets vibrationsbevægelse. Molekylet genudsender derefter en foton med lavere energi og dermed en længere bølgelængde, hvilket betyder, at lyset bliver "rødere". Denne proces kan også forekomme i bulkkrystaller.

Opdagelsen af ​​Raman-effekten lancerede et helt nyt felt inden for anvendt videnskab - Raman-spektroskopi. Denne metode giver forskere mulighed for at opdage individuelle molekyler af kemiske stoffer. Ud over, Raman-effekten bruges i dag meget i fiberoptiske netværk til signalforstærkning.

Indtil nu, bølgeledere og sfæriske mikrokaviteter, der er større end emissionsbølgelængden, er hovedsageligt blevet anvendt til forbedring af Raman-effekten. Imidlertid, miniaturisering af telekommunikationsenheder kræver udvikling af mindre optiske komponenter, der forbruger mindre energi og er nemmere at "pakke" på en elektronisk eller optisk chip.

Forskerne, herunder Denis Baranov fra MIPT forsøgte at miniaturisere Raman-forstærkere.

Forskerne brugte siliciumnanosfærer, der understøtter optiske resonanser - de såkaldte Mie-resonanser. De findes i alle sfæriske partikler, og bølgelængderne af disse resonanser afhænger af partikelstørrelsen. En af de resonanser, der opstår for den største bølgelængde, er den magnetiske dipolresonans - dens bølgelængde er generelt sammenlignelig med partiklens diameter. I silicium, imidlertid, på grund af dets store brydningsindeks, magnetisk dipolresonans observeres i det optiske område (ved bølgelængder længere 300 nanometer) for nanopartikler med en diameter på ca. 100 nanometer.

Denne kendsgerning gør små siliciumnanopartikler nyttige som miniatureelementer til at forstærke forskellige optiske fænomener, inklusive spontan lysudsendelse, forbedret lysabsorption, og høj harmonisk generering.

I forsøget forskerne undersøgte opførselen af ​​siliciumnanopartikler af forskellig størrelse. For at bestemme størrelsen af ​​partiklerne, de placerede dem under et mikroskop og oplyste dem med hvidt lys. Partikler med forskellige diametre viser Mie-resonanser ved forskellige bølgelængder, hvilket resulterer i forskellige glødende farver i mørkefeltbilledet.

Forskerne testede derefter, hvordan intensiteten af ​​Raman-emissionen afhænger af diameteren af ​​en siliciumpartikel. Intensiteten af ​​Raman-emissionen var maksimalt ved partiklens resonansdiameter, hvilket var helt i overensstemmelse med den teori, forfatterne havde udviklet. Intensiteten af ​​Raman-emissionen af ​​resonante partikler var mere end 100 gange større end for ikke-resonante partikler med andre diametre.

"Raman-effekten er utrolig nyttig i praksis, og vil ikke kun hjælpe med at opdage mikroskopiske mængder af kemiske forbindelser, men også i at overføre information over lange afstande. På grund af jagten på mindre elektroniske og optiske enheder, det bliver stadig vigtigere for os at lede efter nanostrukturer, der kan forstærke denne effekt. Vores observationer har afsløret en potentiel kandidat - siliciumnanopartikler, " sagde Denis Baranov, en post-graduate studerende på MIPT og en af ​​forfatterne til papiret.

Siliciumnanopartikler kunne tjene som grundlag for udviklingen af ​​optiske miniatureforstærkere til fiberoptiske netværk. I fremtiden, disse partikler kunne give en platform til at bygge en kompakt nanolaser ved hjælp af stimuleret Raman-spredning, som giver mulighed for meget interessante anvendelser inden for medicin og biomikroskopi. I særdeleshed, at detektere signaler om Raman-emissionen fra partikler i den menneskelige krop vil give specialister mulighed for at spore bevægelsen af ​​lægemiddelmolekyler.