Введение

Изучение света в нанометровом масштабе

журнал

Нанофотоника или нанооптика – это изучение поведения света в нанометровом масштабе и взаимодействия объектов нанометрового масштаба со светом. Это область оптики, оптической инженерии, электротехники и нанотехнологий. Она часто включает в себя диэлектрические структуры, такие как наноантенны, или металлические компоненты, которые могут переносить и фокусировать свет посредством поверхностных плазмон-поляритонов. Термин "нанооптика", как и термин "оптика", обычно относится к ситуациям, связанным с ультрафиолетовым, видимым и ближним инфракрасным излучением (длина волны в свободном пространстве от 300 до 1200 нанометров).

Предыстория

Нормальные оптические компоненты, такие как линзы и микроскопы, как правило, не способны фокусировать свет до нанометровых (глубоко-подволновых) масштабов из-за дифракционного предела (критерия Рэлея). Тем не менее, возможно сжать свет до нанометрового масштаба, используя другие методы, например, поверхностные плазмоны, локализованные поверхностные плазмоны вокруг наноразмерных металлических объектов, а также наноразмерные апертуры и наноразмерные острые наконечники, применяемые в сканирующей оптической микроскопии ближнего поля (SNOM или NSOM) и фотоассистированной сканирующей туннельной микроскопии.

Применение

Исследователи в области нанофотоники ставят перед собой самые разнообразные задачи, охватывающие сферы от биохимии до электротехники и безуглеродной энергетики. Некоторые из этих задач приведены ниже.

Оптоэлектроника и микроэлектроника

Если свет можно сжать в небольшой объем, он может быть поглощен и обнаружен небольшим детектором. Малые фотодетекторы обычно обладают рядом желательных свойств, включая низкий уровень шума, высокую скорость, низкое напряжение и мощность. Малые лазеры имеют различные полезные характеристики для оптической связи, такие как низкий пороговый ток (что способствует энергоэффективности) и быстрая модуляция (обеспечивающая более высокую скорость передачи данных). Для очень маленьких лазеров требуются оптические резонаторы с размерами меньше длины волны. Примером служат спазеры – плазмонная версия лазеров. Интегрированные схемы изготавливаются с использованием фотолитографии, то есть путем воздействия света. Для создания очень маленьких транзисторов необходимо фокусировать свет в чрезвычайно четкие изображения. С помощью различных методов, таких как иммерсионная литография и фазосдвиговые фотомаски, удалось получить изображения с разрешением, значительно превышающим длину волны – например, нарисовать линии 30 нм, используя свет длиной волны 193 нм. Плазмонные методы также предлагаются для этой задачи. Магнитно-тепловая запись – это нанофотонный подход к увеличению объема данных, которые может хранить магнитный диск. Он требует нагрева лазером крошечной области магнитного материала размером меньше длины волны перед записью данных. Магнитная записывающая головка будет оснащена металлическими оптическими элементами для концентрации света в нужной точке. Миниатюризация в оптоэлектронике, например, уменьшение размеров транзисторов в интегральных схемах, повысила их скорость и снизила стоимость. Однако оптоэлектронные схемы можно миниатюризировать только при одновременном уменьшении размеров оптических и электронных компонентов. Это особенно важно для внутричиповой оптической связи (то есть передачи информации между различными частями микрочипа посредством света, распространяющегося по оптическим волноводам, а не изменения напряжения в проводниках).

Солнечные элементы

Солнечные элементы часто наиболее эффективны, когда свет поглощается очень близко к поверхности, как потому, что электроны вблизи поверхности имеют больше шансов на сбор, так и потому, что это позволяет сделать устройство тоньше, что снижает его стоимость. Исследователи изучали различные нанофотонные методы для усиления света в оптимальных областях внутри солнечного элемента.

Контролируемое высвобождение противораковых терапевтических средств

Нанофотоника также играет роль в обеспечении контролируемого и направленного высвобождения противораковых препаратов, таких как адриамицин, из нанопористых оптических антенн для воздействия на тройной негативный рак молочной железы и преодоления механизмов лекарственной устойчивости, связанных с экзоцитозом, тем самым снижая токсичность для здоровых тканей и клеток организма.

Спектроскопия

Использование нанофотоники для создания высоких пиковых интенсивностей: если заданное количество световой энергии концентрируется в всё меньшем объеме ("горячая точка"), то интенсивность в этой точке возрастает. Это особенно полезно в нелинейной оптике, примером чего является поверхностно-усиленное рассеяние Рамана. Кроме того, это позволяет проводить высокочувствительные спектроскопические измерения даже отдельных молекул, находящихся в горячей точке, в отличие от традиционных спектроскопических методов, которые усредняют сигнал по миллионам или миллиардам молекул.

Микроскопия

Одна из целей нанофотоники — создание так называемой "суперлинзы", которая использует метаматериалы (см. ниже) или другие методы для получения изображений с разрешением, превышающим дифракционный предел (глубоко субволновое разрешение). В 1995 году Герра продемонстрировал это, получив изображение кремниевой решетки с линиями и промежутками 50 нм при освещении длиной волны 650 нм в воздухе. Это было достигнуто путем сопряжения прозрачной фазовой решетки с линиями и промежутками 50 нм (метаматериал) с объективом иммерсионного микроскопа (суперлинзой). Оптический микроскоп ближнего поля (NSOM или SNOM) — это принципиально иная нанофотонная техника, позволяющая достичь той же цели — получения изображений с разрешением, значительно меньшим длины волны. Она заключается в растровом сканировании очень острым наконечником или очень маленькой апертурой по поверхности исследуемого объекта. В другом примере, интерферометрия двойной поляризации обеспечивает пикометрическое разрешение в вертикальной плоскости над поверхностью волновода.

Оптическое хранение данных

Нанофотоника в форме субволновых оптических структур ближнего поля, как отдельных от носителей информации, так и интегрированных в них, была использована для достижения оптических плотностей записи, значительно превышающих дифракционный предел. Эти работы начались в 1980-х годах в Polaroid Optical Engineering (Кембридж, штат Массачусетс) и продолжались по лицензии в Calimetrics (Бедфорд, штат Массачусетс) при поддержке Программы передовых технологий NIST.

Инженерные работы с полосой разрыва

В 2002 году Герра (Nanoptek Corporation) продемонстрировал, что нанооптические структуры полупроводников испытывают сдвиг ширины запрещенной зоны из-за вызванного напряжения. В случае диоксида титана, структуры с полувысотой и шириной менее 200 нм поглощают не только в нормальной ультрафиолетовой части солнечного спектра, но и в высокоэнергетической видимой синей области. В 2008 году Тулин и Герра опубликовали результаты моделирования, которые показали не только сдвиг ширины запрещенной зоны, но и сдвиг краев зон, а также более высокую подвижность дырок при меньшей рекомбинации зарядов. Диоксид титана с измененной шириной запрещенной зоны используется в качестве фотоанода в эффективном фотолитическом и фотоэлектрохимическом производстве водородного топлива из солнечного света и воды.

Кремниевая нанофотоника

Кремниевая фотоника – это область нанофотоники, основанная на использовании кремния, в которой наноразмерные структуры оптоэлектронных устройств создаются на кремниевых подложках и способны управлять как светом, так и электронами. Они обеспечивают объединение электронной и оптической функциональности в одном устройстве. Такие устройства находят широкое применение за пределами академической среды, например, в среднеинфракрасной и овертонной спектроскопии, логических схемах и криптографии на чипе и т.д.

Плазмоны и металлическая оптика

Металлы – эффективный способ локализовать свет на масштабах, значительно меньших длины волны. Изначально это применялось в радио- и микроволновой инженерии, где металлические антенны и волноводы могут быть в сотни раз меньше длины волны в свободном пространстве. По аналогичной причине видимый свет можно локализовать на нанометровом масштабе, используя металлические наноструктуры, такие как наноструктуры, острия, зазоры и т.п. Многие конструкции нанооптики напоминают привычные микроволновые или радиоволновые схемы, но уменьшенные в 100 000 раз и более. Ведь радиоволны, микроволны и видимый свет – это все электромагнитное излучение, различающееся лишь частотой. При прочих равных условиях, микроволновая схема, уменьшенная в 100 000 раз, будет вести себя аналогично, но на частоте в 100 000 раз выше. Этот эффект в некоторой степени аналогичен принципу действия молниеотвода, где поле концентрируется на острие. Технологическое направление, использующее взаимодействие света и металлов, называется плазмоника. В его основе лежит тот факт, что диэлектрическая проницаемость металла велика по абсолютной величине и отрицательна. При очень высоких частотах (вблизи и выше плазменной частоты, обычно в ультрафиолетовом диапазоне) диэлектрическая проницаемость металла становится меньше, и металл перестает быть эффективным для концентрации полей. Например, исследователи создали нанооптические диполи и антенны Яги-Уда, по сути, следуя тем же принципам, что и при проектировании радиоантенн. Металлические параллельные пластинчатые волноводы (полосковые линии), элементы цепей с сосредоточенными параметрами, такие как индуктивность и емкость (при частотах видимого света их значения составляют порядка фемтогенри и аттофарад соответственно), а также согласование импеданса дипольных антенн с линиями передачи – все это хорошо известные методы в микроволновой технике, которые активно развиваются в нанофотонике. Тем не менее, существуют существенные различия между нанооптикой и масштабированными микроволновыми схемами. Например, на оптических частотах металлы ведут себя менее как идеальные проводники и проявляют интересные плазмонные эффекты, такие как кинетическая индуктивность и поверхностный плазмонный резонанс. Кроме того, оптические поля взаимодействуют с полупроводниками принципиально иначе, чем микроволны.

Оптические приборы ближнего поля

Трансформация Фурье распределения пространственного поля состоит из различных пространственных частот. Высокие пространственные частоты соответствуют очень мелким деталям и резким краям. В нанофотонике часто исследуются сильно локализованные источники излучения (дипольные излучатели, такие как флуоресцентные молекулы). Эти источники можно разложить на широкий спектр плоских волн с различными волновыми числами, которые соответствуют угловым пространственным частотам. Частотные компоненты с более высокими волновыми числами по сравнению с волновым числом света в свободном пространстве формируют эванесцентные поля. Эванесцентные компоненты существуют только в ближнем поле излучателя и затухают, не передавая чистую энергию в дальнее поле. Таким образом, субволновые детали от излучателя размываются, что приводит к дифракционному пределу в оптических системах. Нанофотоника в основном занимается эванесцентными волнами ближнего поля. Например, суперлинза (упомянутая выше) предотвращает затухание эванесцентной волны, обеспечивая возможность получения изображений с более высоким разрешением.

Метаматериалы

Метаматериалы – это искусственные материалы, разработанные для достижения свойств, которых не существует в природе. Они создаются путем изготовления массива структур, размеры которых значительно меньше длины волны. Небольшой (нано) размер этих структур имеет решающее значение: благодаря этому свет взаимодействует с ними как с однородной, непрерывной средой, а не рассеивается от отдельных элементов.