Кіріспе
Нанофотоника немесе нанооптика – нанометрлік масштабта жарықтың қалай өтетінін және нанометрлік өлшемдегі объектілердің жарықпен қарым-қатынасын зерттейтін ғылым. Ол оптика, оптикалық инженерия, электротехника және нанотехнология салаларының бір бөлігі болып табылады. Көбінесе наноантенналар сияқты диэлектрлік құрылымдар немесе металл компоненттерді қамтиды, олар беттік плазмон-поляритондар арқылы жарықты тасымалдап, шоғырландыра алады. "Нанооптика" термині, "оптика" термині сияқты, әдетте ультракүлгін, көрінетін және жақын инфрақызыл жарыққа (бос кеңістіктегі 300-ден 1200 нанометрге дейінгі толқын ұзындығы) қатысты жағдайларды білдіреді.
the journal
Nanophotonics or nano optics is the study of the behavior of light on the nanometer scale, and of the interaction of nanometer scale objects with light. It is a branch of optics, optical engineering, electrical engineering, and nanotechnology. It often involves dielectric structures such as nanoantennas, or metallic components, which can transport and focus light via surface plasmon polaritons. The term "nano optics", just like the term "optics", usually refers to situations involving ultraviolet, visible, and near infrared light (free space wavelengths from 300 to 1200 nanometers).
Өмірбаян
Нормальды оптикалық компоненттер, мысалы линзалар мен микроскоптар, дифракция шегінен (Рейли критерийі) туындаған себептермен, әдетте жарықты нанометрлік (толқын ұзындығынан әлдеқайда кішкентай) масштабқа шоғырлай алмайды. Дегенмен, жарықты нанометрлік масштабқа сығуға басқа әдістер көмектеседі, мысалы, беттік плазмондар, нанометалл объектілердің айналасындағы жергілікті беттік плазмондар, жақын өріс сканерлеуші оптикалық микроскопияда (SNOM немесе NSOM) және фотокөмектес сканерлеуші туннельдік микроскопияда қолданылатын наноөлшемді саңылаулар мен наноөлшемді өткір ұштар арқылы.
Қолдану
Нанофотоника зерттеушілері биохимиядан электр инженериясына және көміртегі шығарылымсыз энергияға дейінгі салаларда кең ауқымды мақсаттарды көздейді. Олардың бірнеше мақсаты төменде қысқаша баяндалған.
Оптоэлектроника және микроэлектроника
Егер жарықты кішкентай көлемге жинаса, оны кішкентай детектор сіңіріп, анықтай алады. Кішкентай фотодетекторлардың қалаулы қасиеттері көп, оның ішінде төмен шу, жоғары жылдамдық, төмен кернеу және қуат. Кішкентай лазерлер оптикалық байланыс үшін түрлі қасиеттерге ие, соның ішінде төмен шекті ток (қуат тиімділігін арттырады) және жылдам модуляция (көп дерек беруді қамтамасыз етеді). Өте кішкентай лазерлерге толқын ұзындығынан кем оптикалық қуыстар қажет. Мысалы, спазерлер – лазерлердің плазмалық нұсқасы. Интегралды схемалар фотолитография арқылы жасалады, яғни жарыққа ұшырату арқылы. Өте кішкентай транзисторлар жасау үшін жарықты өте нақты бейнелерге шоғырландыру қажет. Суға батыру литографиясы және фазалық ығысу фотомаскалары сияқты әдістерді қолдану арқасында толқын ұзындығынан әлдеқайда жіңішке бейнелер жасау мүмкін болды, мысалы, 193 нм жарықпен 30 нм сызықтар салуға болады. Бұл мақсат үшін плазмоникалық әдістер де ұсынылған. Жылумен көмектесетін магниттік жазу – магниттік дискінің сақтай алатын деректерінің көлемін арттыруға арналған нанофотондық тәсіл. Ол үшін лазердің магниттік материалдың өте кішкентай, толқын ұзындығынан кем аймағын қыздыру қажет. Магниттік жазу басы жарықты дұрыс жерге шоғырландыру үшін металл оптикалық компоненттерге ие. Оптоэлектроникадағы миниатюризация, мысалы, интегралды схемалардағы транзисторларды кішірейту, олардың жылдамдығы мен тиімділігін арттырды. Дегенмен, оптоэлектрондық схемаларды тек оптикалық компоненттер электрондық компоненттермен бірге кішірейтілсе ғана кішірейтуге болады. Бұл микросхемадағы оптикалық байланыс үшін маңызды (яғни микросхеманың бір бөлігінен екіншісіне ақпаратты оптикалық толқын жетектері арқылы жарық жіберу арқылы, сымдағы кернеуді өзгертудің орнына тарату).
Күн элементтері
Күн элементтері көбінесе жарық бетке өте жақын сіңірілгенде тиімді жұмыс істейді, себебі бетке жақын электрондардың жиналу мүмкіндігі артады, сондай-ақ құрылғыны жұқарақ жасауға болады, бұл шығындарды төмендетеді. Зерттеушілер күн элементтеріндегі ең тиімді жерлерде жарықты күшейту үшін әртүрлі нанофотондық тәсілдерді қарастырды.
Ракқа қарсы терапиялық препараттардың бақылаулы шығарылуы
Нанофотоника сонымен қатар адриамицин сияқты қатерлі ісікке қарсы препараттарды нанопорозды оптикалық антенналардан бақыланатын және қажеттілік бойынша босатуға көмектеседі. Бұл үш теріс пішіндегі емшек қатерлі ісігін жоюға бағытталған, сондай-ақ экзоцитоз арқылы қатерлі ісікке қарсы препараттарға қарсы тұру механизмін жеңілдетіп, дененің қалыпты жасушалары мен тіндеріне зиян келтіруін азайтады.
Спектроскопия
Нанофотониканы қолданып жоғары шарықтардағы интенсивтілікті жасау: Егер белгілі бір көлемдегі жарық энергиясы кішірейе түсіп, тар көлемге ("ыстық нүкте") сығылса, онда ыстық нүктедегі интенсивтілік арта түседі. Бұл сызықтық емес оптикада ерекше пайдалы; мысалы, беттік күшейтілген Раман шашырауы. Бұл сондай-ақ, ыстық нүктеде орналасқан тіпті жалғыз молекуланың да сезімтал спектроскопиялық өлшемдерін жүргізуге мүмкіндік береді, бұл миллиондаған немесе миллиардтаған молекулалардың орташа есебін алатын дәстүрлі спектроскопиялық әдістерден өзгеше.
Микроскопиялық
Нанофотониканың бір мақсаты – метаматериалдарды (төменде қараңыз) немесе басқа да әдістерді пайдаланып, дифракция шегінен (толқын ұзындығынан әлдеқайда кішкентай) асып түсетін, дәлдігі жоғары кескіндер құратын "суперлинза" жасау. 1995 жылы Гуэрра мұны 50 нм сызықтары және аралықтары бар кремнийлі торды, ауада 650 нм толқын ұзындығымен жарықтандыру арқылы бейнелеу арқылы көрсетті. Бұл 50 нм сызықтары мен аралықтары бар мөлдір фазалық торды (метаматериал) суға батырылатын микроскоп объективімен (суперлинза) біріктіру арқылы іске асырылды. Жақын өріс сканерлеуші оптикалық микроскоп (NSOM немесе SNOM) – бұл толқын ұзындығынан әлдеқайда кішкентай ажыратымдылықпен кескіндер түсірудің бірдей мақсатын орындайтын мүлдем басқа нанофотоникалық техника. Ол бейнеленетін бетімен өте жіңішке ұшты немесе өте кішкентай апертураны растрлік түрде сканерлеуді қамтиды. Тағы бір мысал ретінде, қос поляризациялық интерферометрия толқын жетегінің бетінен жоғары тік жазықтықта пикометрлік дәлдікке ие.
Оптикалық деректерді сақтау
Субтолқындық жақын алаң оптикалық құрылымдар түріндегі нанофотоника, жазбалау ортасынан бөлек немесе жазбалау ортасына енгізілген, дифракция шегінен әлдеқайда жоғары оптикалық жазба тығыздықтарына қол жеткізу үшін пайдаланылды. Бұл жұмыс 1980 жылдары Polaroid Optical Engineering (Кембридж, Массачусетс) компаниясында басталды және NIST Advanced Technology Program қолдауымен Calimetrics (Bedford, Massachusetts) компаниясында лицензия бойынша жалғасты.
Жарық аралығы инженерлігі
2002 жылы Герра (Nanoptek Corporation) жартылай өткізгіштердің нанооптикалық құрылымдарының туындаған кернеу салдарынан энергиялық спектрдің өзгеруін көрсеткенін дәлелдеді. Титан диоксидінің жағдайында, 200 нм-ден кіші жартылай биіктік ені бар құрылымдар күн спектрінің әдеттегі ультракөк сәуле бөлігін ғана емес, сонымен қатар жоғары энергиялы көк түсті де сіңіреді. 2008 жылы Тулин мен Герра энергиялық спектрдің өзгеруін ғана емес, сонымен қатар энергиялық жиектің өзгеруін, және зарядтың қайта бірігуі төмендегенде тесіктердің жылдамдығының артуын көрсеткен модельдеуді жариялады. Энергиялық спектрі өзгертілген титан диоксиді күн сәулесі мен судан сутегі отынын тиімді фотолиз және фотоэлектрохимиялық жолмен өндіруде фотоанод ретінде қолданылады.
Кремний нанофотоникасы
Кремний фотоникасы – нанофотониканың кремнийге негізделген саласы, онда кремний негізінде жасалған оптоэлектрондық құрылғылардың наноөлшемді құрылымдары жарық пен электрондарды басқаруға қабілетті. Олар электрондық және оптикалық мүмкіндіктерді бір құрылғыда үйлестіруге мүмкіндік береді. Мұндай құрылғылар академиялық емес салаларда кең қолданыс табады, мысалы, орта инфрақызыл және жоғары гармоникалық спектроскопиясы, чиптегі логикалық схемалар және криптография сияқтылар.
Плазмондар және металл оптика
Металдар жарықты толқын ұзындығынан әлдеқайда төменгі шекте жинақтаудың тиімді тәсілі болып табылады. Бұл бастапқыда радио және микротолқынды техникада қолданылған, онда металл антенналар мен толқын жетектері бос кеңістіктегі толқын ұзындығынан жүздеген есе кіші болуы мүмкін. Дәл осы себеппен, көзге көрінетін жарық наноөлшемге наноөлшемді металл құрылымдар арқылы, мысалы, наноқұрылымдар, ұштар, аралықтар және т.б. арқылы шектелуі мүмкін. Көптеген нанооптикалық конструкциялар микротолқындық немесе радиотолқындық тізбектерге ұқсас, бірақ 100 000 немесе одан да көп есеге кішірейтілген. Радиотолқындар, микротолқындар және көзге көрінетін жарық – барлығы электромагниттік сәулеленудің түрлері, олардың айырмашылығы тек жиілігінде ғана. Басқа шарттар тең болса, 100 000 есеге кішірейтілген микротолқындық тізбек 100 000 есе жоғары жиілікте дәл сол сияқты жұмыс істейді. Бұл эффект біршама шағын ұштың әрекетіне ұқсас, онда өріс ұшында шоғырланады. Жарық пен металдардың өзара әрекеттесуін пайдаланатын технологиялық сала плазмоника деп аталады. Ол металдың диэлектрлік өтімділігі өте жоғары және теріс болу фактісіне негізделген. Өте жоғары жиіліктерде (плазмалық жиілікке жақын және одан жоғары, әдетте ультракүлгін сәулелерде) металдың диэлектрлік өтімділігі соншалықты жоғары болмайды, және металл өрісті шоғырландыру үшін тиімділігін жояды. Мысалы, зерттеушілер радиоантенналар үшін қолданылатын ұқсас конструкцияны пайдаланып, нанооптикалық дипольдер мен Яги-Уда антенналарын жасады. Металл параллель пластиналы толқын жетектері (стриплиниялар), индуктивтілік және сыйымдылық сияқты жинақталған элементтер (көрінетін жарық жиіліктерінде соңғысының мәндері сәйкесінше фемтогенри және аттофарадтар шамасында болады), сондай-ақ дипольдік антенналардың кедерісін беру желілерімен сәйкестендіру – микротолқынды жиіліктерде жақсы белгілі техникалар, және қазіргі нанофотоника дамуының бағыттары болып табылады. Дегенмен, нанооптика мен кішірейтілген микротолқындық тізбектер арасында бірнеше маңызды айырмашылықтар бар. Мысалы, оптикалық жиілікте металдар идеалды өткізгіштер сияқты емес, сонымен қатар кинетикалық индуктивтілік және беттік плазмондық резонанс сияқты плазмонмен байланысты қызықты эффектілерді көрсетеді. Сондай-ақ, оптикалық өрістер жартылай өткізгіштермен микротолқындарға қарағанда мүлдем басқаша әрекеттеседі.
Жақын өріс оптикасы
Фурье трансформациясы кеңістіктік өріс таралуының әртүрлі кеңістіктік жиіліктерден тұратынын көрсетеді. Жоғары кеңістіктік жиіліктер өте ұсақ ерекшеліктерге және өткір жиектерге сәйкес келеді. Нанофотоникада күшті локалданып, сәулелену көздері (флуоресцентті молекулалар сияқты дипольдік эмиттерлер) жиі зерттеледі. Бұл көздерді әртүрлі толқын сандары бар жазық толқындардың кең спектріне жіктеуге болады, олар бұрыштық кеңістіктік жиіліктерге сәйкес келеді. Жарықтың бос кеңістіктегі толқын санына қарағанда жоғары толқын санына ие жиілік компоненттері – бұл сөнуші өрістерді құрайды. Сөнуші компоненттер тек эмиттердің жақын өрісінде ғана болады және алыс өріске энергияны бермей ыдырайды. Осылайша, эмиттерден алынған субтолқындық ақпарат бұрмаланады, бұл оптикалық жүйелердегі дифракция шегіне алып келеді. Нанофотоника, ең алдымен, жақын өрістегі сөнуші толқындармен айналысады. Мысалы, жоғарыда айтылған суперлинза сөнуші толқынның ыдырауын болдырмай, жоғары ажыратымдылықта бейнелеуге мүмкіндік береді.
Метаматериалдар
Метаматериалдар – табиғатта кездеспейтін қасиеттерге ие болу үшін жасалған жасанды материалдар. Олар толқын ұзындығынан әлдеқайда кіші құрылымдар тізімін жасау арқылы құрастырылады. Құрылымдардың кішкентай (нано) өлшемі маңызды: осылайша, жарық жеке құрылымдардан шашыраудың орнына, оларды біркелкі, үздіксіз орта ретінде қабылдайды.