Hvid nanolyskilde til optisk nanobilleddannelse

Nanolyskilder baseret på resonante excitoner af plasmoner nær en skarp metallisk nanostruktur har tiltrukket sig stor interesse for optisk nanobilleddannelse. Imidlertid, resonansfænomenet virker kun for én type bølgelængde, der resonerer med plasmoner. Sammenlignet med plasmonisk resonans, den alternative plasmon nanofokuseringsmetode kan generere en kilde til nanolys ved at udbrede og komprimere plasmoner på en tilspidset metallisk nanostruktur, uafhængig af bølgelængde, på grund af sin afhængighed af formering. I en ny rapport vedr Videnskabens fremskridt , Takayuki Umakoshi og et forskerhold i anvendt fysik og kemi i Japan genererede en hvid nanolyskilde, der spænder over hele det synlige lysområde gennem plasmon nanofokusering. Ved at bruge processen, de demonstrerede spektral bandgap nanoimaging af carbon nanorør (CNT'er). Den eksperimentelle demonstration af kilden til hvidt nanolys vil gøre det muligt for forskellige forskningsfelter at udvikle sig mod næste generation, nanofotoniske teknologier.

Sameksistensen af ​​flere bølgelængder af lys i et begrænset nanometrisk volumen kan udgøre en interessant optisk effekt. Det unikke nanolys er derfor en lovende platform for forskellige forskningsfelter ved at give muligheder for at sondere en prøve på tværs af en række bølgelængder, eller inducere lys-lys-interaktioner mellem forskellige bølgelængder på nanoskala. Optiske antenner har spillet en vigtig rolle i de seneste årtier for at begrænse lys på nanoskala gennem lokaliserede plasmonresonanser i metalliske nanostrukturer, fører til hidtil uset forskning i nanolys, inklusive lysfeltforbedring. Da plasmonresonans er et resonansfænomen, det kan ikke lette generering af bredbåndsnanolys, derfor, som resultat, plasmon nanofokusering har fået større opmærksomhed som et alternativ til at generere kilder til nanolys. Under processen, en lyskilde i nanoskala kan konstrueres ved at udbrede og superfokusere overfladeplasmonpolaritoner (SPP'er) ved spidsen af ​​en metallisk, tilspidset overbygning. Arbejdet førte til en enorm forbedring af lysfeltet på nanoskala, i spidsen og resulterede i baggrundsfri belysning. Forskere har udforsket den resulterende bredbåndsegenskab til fire-bølge-blanding med en høj ikke-lineær konverteringseffektivitet. Den plasmon-nanofokuserede bredbåndslyskilde er et kraftfuldt værktøj på tværs af forskellige forskningsfelter.

I dette arbejde, Umakoshi et al. introducerede en hvid nanolyskilde, der spænder over hele det synlige bølgelængdeområde - genereret via plasmon nanofokusering. De viste bredbåndsenergi båndgab optisk billeddannelse af kulstof nanorør ved hjælp af den hvide nanolyskilde. Selvom plasmon nanofokusering kan exciteres i et bredt bølgelængdeområde, forskere har kun brugt det i det nær-infrarøde område på grund af begrænsninger af materialer, der udgør den tilspidsede struktur. De havde brugt guld som materiale til at danne koniske tilspidsede strukturer og lavere ohmske tab, men sådanne eksperimenter forblev i det nær-infrarøde område og ikke i det synlige eller ultraviolette område. Umakoshi et al. havde også for nylig udviklet en effektiv fremstillingsmetode til at danne tilspidsede metalliske strukturer baseret på termisk fordampning, hvor konstruktionen omfattede en kommercielt tilgængelig siliciumudkrager med en pyramideformet spids. Ved at bruge en overflade af pyramiden som base, de opnåede en todimensionel metallisk tilspidsning og skabte en ekstremt glat metallisk belægning, der kan anvendes til en række metaltyper, inklusive sølv. Ved hjælp af sølvkonus, holdet opnåede højeffektiv plasmon nanofokusering med 100 procent reproducerbarhed ved 642 nm og udførte hvid plasmon nanofokusering over en bred vifte af synlige bølgelængder.

Design og konstruktion af en tilspidset metallisk struktur til bredbåndsplasmon nanofokusering

Umakoshi et al. udviklet en tilspidset metallisk struktur for at opretholde en bredbåndet hvid nanolyskilde på en oxideret siliciumpyramideformet spids med et tyndt sølvlag belagt på en overflade af pyramiden. Ved at bruge en enkelt spalte på 200 nanometer (nm) i sølv koblede de lys i det synlige område, og beregnede de elektriske feltfordelinger i nærheden af ​​spidsen ved multiple excitationsbølgelængder ved hjælp af finite-difference-time domain (FDTD) metoden. Holdet observerede stærke elektriske felter begrænset ved spidsspidsen ved excitationsbølgelængder fra 460 nm til 1200 nm. Arbejdet viste, hvordan en 200 nm bred spalte genererede en bredbånds nanolyskilde, der spænder over hele det synlige område for endda at nå det nær-infrarøde område. Under fremstillingsprocessen, forskerne brugte en kommercielt tilgængelig silicium udkraget spids med en pyramideformet form. De oxiderede silicium-cantileveren og udviklede en glat sølvbelægning på 1 nm overfladeruhed for at reducere energitab under SPP (surface plasmon polariton) udbredelse.

Generering af en hvid lyskilde via plasmon nanofokusering og udførelse af spektral båndgap-billeddannelse

For at forstå processen med produktion af begrænset hvidt lys gennem den tilspidsede struktur baseret på plasmon nanofokusering, holdet belyste spaltestrukturen med en sammenhængende superkontinuumlaser, der spændte over en lang række bølgelængder. Når den indfaldende polarisation var vinkelret på spalten, de noterede den bedste kobling i opsætningen i overensstemmelse med simuleringer. Efterhånden som bølgelængden blev kortere, spredningseffektiviteten steg. Derfor, holdet observerede eksperimentelt en højere intensitet i det kortere bølgelængdeområde.

De brugte den plasmon-nanofokuserede hvide lyskilde til at udføre spektral nanoanalyse af CNT'er (carbon nanorør). Den hvide nanolyskilde lokaliseret ved spidsen af ​​spidsen interagerede med CNT-bundter indeholdende flere båndgab under eksperimentet. Spredningssignalet steg under eksperimentet for at indikere fotoner med den samme energi, som svarede til båndgabet af CNT'erne. Umakoshi et al. kombinerede derefter tilgangen med Raman-spektroskopi for at undersøge chiralitet af CNT-prøven.

Den plasmonfokuserede hvide lyskilde i dette arbejde er en fundamental og effektiv lystilstand til bandgap nanoimaging. Dette arbejde vil bane vejen for en række mulige anvendelser, herunder sondering af biomolekyler for at forstå deres absorptionsegenskaber ved rumlig opløsning på nanoskala. En mid-infrarød bredbånds nanolyskilde vil også være produktiv på tværs af materialevidenskab og molekylærbiologi. Denne teknik kan også øge den analytiske evne til overfladeforstærket Raman-spektroskopi til at undersøge molekylære vibrationer.

På denne måde Takayuki Umakoshi og kolleger genererede en hvid nanolyskilde i toppen af ​​en tilspidset sølvstruktur ved hjælp af plasmon nanofokusering til at udføre nanoanalyse af kulstofnanorør. Holdet designede og konstruerede en tilspidset struktur, der inducerede plasmon nanofokusering over et bredt bølgelængdeområde. Den spektrale båndgap-teknik vil have omfattende anvendelser på nanoskala på tværs af materialevidenskab og biologisk forskning. Det demonstrerede arbejde er kun et enkelt eksempel, med forskellige applikationer mulige baseret på et kraftfuldt og grundlæggende optisk værktøj i nanoskala med fremragende bølgelængdefleksibilitet.

© 2020 Science X Network