Forskere demonstrerer praktiske metal nanostrukturer

Forskere ved University of Ottawa har aflivet den årti gamle myte om metaller, der er ubrugelige i fotonik - videnskaben og teknologien af ​​lys - med deres resultater, for nylig udgivet i Naturkommunikation, forventes at føre til mange anvendelser inden for nanofotonik.

"Vi slog rekorden for resonanskvalitetsfaktoren (Q-faktor) for en periodisk række af metalnanopartikler med en størrelsesorden sammenlignet med tidligere rapporter, " sagde seniorforfatter Dr. Ksenia Dolgaleva, Canada Research Chair i Integrated Photonics (Tier 2) og lektor ved School of Electrical Engineering and Computer Science (EECS) ved University of Ottawa.

"Det er et velkendt faktum, at metaller er meget tabsgivende, når de interagerer med lys, hvilket betyder, at de forårsager spredning af elektrisk energi. De høje tab kompromitterer deres anvendelse i optik og fotonik. Vi demonstrerede ultra-høj-Q-resonanser i en metasurface (en kunstigt struktureret overflade) bestående af en række metalnanopartikler indlejret i et fladt glassubstrat. Disse resonanser kan bruges til effektiv lysmanipulation og forbedret lys-stof-interaktion, viser, at metaller er nyttige i fotonik."

"I tidligere værker, forskere forsøgte at afbøde den negative virkning af tab for at få adgang til gunstige egenskaber ved metal nanopartikelarrays, " observerede medforfatteren af ​​undersøgelsen Md Saad Bin-Alam, en uOttawa doktorand i EECS.

"Imidlertid, deres forsøg gav ikke en væsentlig forbedring af kvalitetsfaktorerne for arrayernes resonanser. Vi implementerede en kombination af teknikker snarere end en enkelt tilgang og opnåede en forbedring i størrelsesordenen, der demonstrerede et metal-nanopartikelarray (metasurface) med en rekordhøj kvalitetsfaktor."

Ifølge forskerne, strukturerede overflader - også kaldet metasurfaces - har meget lovende udsigter i en række forskellige nanofotoniske applikationer, som aldrig kan udforskes ved hjælp af traditionelle naturlige bulkmaterialer. sensorer, nanolasere, lysstråleformning og styring er blot nogle få eksempler på de mange anvendelser.

"Metaoverflader lavet af ædelmetal nanopartikler - guld eller sølv for eksempel - har nogle unikke fordele i forhold til ikke-metalliske nanopartikler. De kan begrænse og kontrollere lys i en nanoskala volumen, der er mindre end en fjerdedel af lysets bølgelængde (mindre end 100 nm) , mens bredden af ​​et hår er over 10 000 nm), " forklarede Md Saad Bin-Alam.

"Interessant nok, i modsætning til ikke-metalliske nanopartikler, lyset er ikke begrænset eller fanget inde i metalnanopartiklerne, men er koncentreret tæt på deres overflade. Dette fænomen kaldes videnskabeligt 'lokaliserede overfladeplasmonresonanser (LSPR'er)'. Denne funktion giver en stor overlegenhed i forhold til metalnanopartikler sammenlignet med deres dielektriske modstykker, fordi man kunne udnytte sådanne overfladeresonanser til at detektere bioorganismer eller molekyler i medicin eller kemi. Også, sådanne overfladeresonanser kunne bruges som feedbackmekanismen, der er nødvendig for laserforstærkning. På en sådan måde, man kan realisere en nanoskala lille laser, der kan anvendes i mange fremtidige nanofotoniske applikationer, som lysdetektion og rækkevidde (LiDAR) til fjernfeltsobjektdetektion."

Ifølge forskerne, effektiviteten af ​​disse applikationer afhænger af de resonante Q-faktorer.

"Desværre, på grund af det høje 'absorberende' og 'strålingstab' i metalnanopartikler, LSPRs Q-faktorer er meget lave, " sagde co-lead forfatter Dr. Orad Reshef, en postdoc ved Institut for Fysik ved University of Ottawa.

"For mere end ti år siden, forskere fandt en måde at afbøde det dissipative tab ved omhyggeligt at arrangere nanopartiklerne i et gitter. Fra sådan 'overfladegitter'-manipulation, en ny 'surface lattice resonance (SLR)' opstår med undertrykte tab. Indtil vores arbejde, de maksimale Q-faktorer rapporteret i spejlreflekskameraer var omkring et par hundrede. Selvom sådanne tidligt rapporterede spejlreflekskameraer var bedre end LSPR'er med lav Q, de var stadig ikke særlig imponerende til effektive applikationer. Det førte til myten om, at metaller ikke er nyttige til praktiske anvendelser."

En myte, som gruppen var i stand til at dekonstruere under sit arbejde på University of Ottawas Advanced Research Complex mellem 2017 og 2020.

"Først vi udførte numerisk modellering af en guld nanopartikel-metaoverflade og blev overrasket over at opnå kvalitetsfaktorer på flere tusinde, " sagde Md Saad Bin-Alam, som primært har designet metasurface-strukturen.

"Denne værdi er aldrig blevet rapporteret eksperimentelt, og vi besluttede at analysere hvorfor og at forsøge en eksperimentel demonstration af et så højt Q. Vi observerede et SLR med meget høj Q med en værdi på næsten 2400, det er mindst 10 gange større end de største spejlreflekskameraer Q rapporteret tidligere."

En opdagelse, der fik dem til at indse, at der stadig er meget at lære om metaller.

"Vores forskning viste, at vi stadig er langt fra at kende alle de skjulte mysterier af metal (plasmoniske) nanostrukturer, " konkluderede Dr. Orad Reshef, der fremstillede metasurface-prøven. "Vores arbejde har afsløret en årti lang myte om, at sådanne strukturer ikke er egnede til virkelige optiske applikationer på grund af de store tab. Vi demonstrerede, at ved at konstruere nanostrukturen korrekt og omhyggeligt udføre et eksperiment, man kan forbedre resultatet markant."

Papiret, "Ultra-høj-Q-resonanser i plasmoniske metaoverflader, " er offentliggjort i Naturkommunikation .