Ingen tab:Forskere fylder grafen med lys

Fysikere fra MIPT og Vladimir State University, Rusland, har konverteret lysenergi til overfladebølger på grafen med næsten 90 % effektivitet. De stolede på et laserlignende energikonverteringsskema og kollektive resonanser. Avisen blev udgivet i Laser &Photonics anmeldelser .

Manipulering af lys på nanoskala er en opgave, der er afgørende for at kunne skabe ultrakompakte enheder til optisk energikonvertering og lagring. For at lokalisere lys i så lille skala, forskere omdanner optisk stråling til såkaldte overfladeplasmon-polaritoner. Disse SPP'er er oscillationer, der udbreder sig langs grænsefladen mellem to materialer med drastisk forskellige brydningsindekser - specifikt, et metal og et dielektrikum eller luft. Afhængigt af de valgte materialer, graden af ​​overfladebølgelokalisering varierer. Det er det stærkeste for lys lokaliseret på et materiale, der kun er et atomlag tykt, fordi sådanne 2-D materialer har høje brydningsindekser.

De eksisterende ordninger for konvertering af lys til SPP'er på 2-D overflader har en effektivitet på højst 10%. Det er muligt at forbedre dette tal ved at bruge mellemliggende signalkonvertere - nanoobjekter med forskellige kemiske sammensætninger og geometrier.

De mellemliggende konvertere, der blev brugt i den nylige undersøgelse i Laser &Photonics anmeldelser er halvlederkvanteprikker med en størrelse på 5 til 100 nanometer og en sammensætning svarende til den faste halvleder, de er fremstillet af. Det sagt, de optiske egenskaber af en kvanteprik varierer betydeligt med dens størrelse. Så ved at ændre dens dimensioner, forskere kan indstille det til den optiske bølgelængde af interesse. Hvis en samling af kvanteprikker af forskellig størrelse belyses med naturligt lys, hver prik vil reagere på en bestemt bølgelængde.

Kvanteprikker kommer i forskellige former - cylindre, pyramider, sfærer, osv. — og forskellige kemiske sammensætninger. I sin undersøgelse, holdet af russiske forskere brugte ellipsoide-formede kvanteprikker 40 nanometer i diameter. Prikkerne tjente som scatterere placeret over overfladen af ​​grafen, som blev belyst med infrarødt lys ved en bølgelængde på 1,55 mikrometer. En dielektrisk buffer adskillige nanometer tyk adskilte grafenarket fra kvanteprikkerne.

Ideen om at bruge en kvanteprik som en spreder er ikke ny. Nogle af de tidligere grafenstudier brugte et lignende arrangement, med prikkerne placeret over 2-D-arket og interagerer både med lys og med elektromagnetiske overfladebølger ved en fælles bølgelængde, som deles af de to processer. Dette blev gjort muligt ved at vælge en kvantepunktstørrelse, der var helt rigtig. Selvom et sådant system er ret nemt at indstille til en resonans, det er modtageligt for luminescensslukning - omdannelsen af ​​indfaldende lysenergi til varme - såvel som omvendt lysspredning. Som resultat, effektiviteten af ​​SPP-generering oversteg ikke 10 %.

"Vi undersøgte et skema, hvor en kvanteprik placeret over grafen interagerer både med indfaldende lys og med den elektromagnetiske overfladebølge, men frekvenserne af disse to interaktioner er forskellige. Prikken interagerer med lys ved en bølgelængde på 1,55 mikrometer og med overfladen plasmon-polariton ved 3,5 mikrometer. Dette aktiveres af et hybridt interaktionsskema, " siger studiemedforfatter Alexei Prokhorov, en seniorforsker ved MIPT Center for Photonics and 2-D Materials, og en lektor ved Vladimir State University.

Essensen af ​​hybrid-interaktionsskemaet er, at i stedet for kun at bruge to energiniveauer - de øvre og nedre - inkluderer opsætningen også et mellemniveau. Det er, holdet brugte en energisk struktur, der ligner laserens. Det mellemliggende energiniveau tjener til at muliggøre den stærke forbindelse mellem kvanteprikken og den elektromagnetiske overfladebølge. Kvanteprikken undergår excitation ved bølgelængden af ​​laseren, der belyser den, hvorimod overfladebølger genereres ved bølgelængden bestemt af SPP-kvantepunktresonansen.

"Vi har arbejdet med en række materialer til fremstilling af kvanteprikker, samt med forskellige typer grafen, " Forklarede Prokhorov. "Bortset fra ren grafen, der er også det, der kaldes dopet grafen, som inkorporerer elementer fra nabogrupperne i det periodiske system. Afhængig af typen af ​​doping, det kemiske potentiale af grafen varierer. Vi optimerede parametrene for kvanteprikken - dens kemi, geometri - såvel som typen af ​​grafen, for at maksimere effektiviteten af ​​lysenergiomdannelse til overfladeplasmon-polaritoner. Til sidst besluttede vi os for dopet grafen og indiumantimonid som kvanteprikmateriale."

På trods af den højeffektive energitilførsel til grafen via kvanteprikkermellemleddet, intensiteten af ​​de resulterende bølger er ekstremt lav. Derfor, et stort antal prikker skal bruges i et specifikt arrangement over grafenlaget. Forskerne skulle finde den helt rigtige geometri, den perfekte afstand mellem prikkerne for at sikre signalforstærkning på grund af indfasningen af ​​nærfelterne for hver prik. I deres undersøgelse, holdet rapporterer, at de opdagede en sådan geometri og målte et signal i grafen, der var størrelsesordener stærkere end for tilfældigt arrangerede kvanteprikker. Til deres efterfølgende beregninger, fysikerne brugte selvudviklede softwaremoduler.

Den beregnede konverteringseffektivitet for den nyligt foreslåede ordning er så høj som 90 %-95 %. Selv når man tager højde for alle de potentielle negative faktorer, der kan påvirke denne værdi, det vil forblive over 50 % - adskillige gange højere end noget andet konkurrerende system.

"En stor del af sådan forskning fokuserer på at skabe ultrakompakte enheder, der ville være i stand til at omdanne lysenergi til overfladeplasmon-polaritoner med høj effektivitet og i meget lille skala i rummet, derved registrerer lysenergi i en eller anden struktur, " sagde direktøren for MIPT Center for Photonics and 2-D Materials, Valentin Volkov, der var medforfatter til undersøgelsen. "I øvrigt, du kan akkumulere polaritoner, potentielt designe et ultratyndt batteri sammensat af flere atomlag. Det er muligt at bruge effekten i lysenergikonvertere svarende til solceller, men med en flere gange højere effektivitet. En anden lovende applikation har at gøre med detektion af nano- og bioobjekter."