Lichtemitter aus 2D- und Quasi-2D-Materialien sind derzeit von großem Interesse in der Nano-Optoelektronik, da ihre Elektron-Loch-Paare (Exzitonen) aufgrund ihrer fehlenden dielektrischen Abschirmung äußerst empfindlich auf ihre Umgebung reagieren. Dies ist von Vorteil für die Herstellung von Geräten wie hochempfindlichen Fotosensoren und elektrochemischen Sensoren.
Bei direkter Abscheidung auf der Oberfläche eines Metalls in einem Metall/Dielektrikum-Substrat kann das von diesen Quasi-2D-Materialien oder „Nanoemittern“ emittierte Licht Oberflächenplasmonpolaritonen (SPPs) erzeugen. Hierbei handelt es sich um Quasiteilchen aus leichter Materie, die an einer Grenzfläche zwischen Metall und Dielektrikum existieren und sich entlang dieser als Welle ausbreiten. Ein SPP ist eine elektromagnetische Welle (Polariton) im Dielektrikum, die mit einer Schwingung elektrischer Ladung auf der Oberfläche des Metalls (Oberflächenplasmon) gekoppelt ist. Infolgedessen haben SPPs ähnliche Eigenschaften wie Materie und Licht.
Das elektromagnetische Feld eines SPP ist auf das Nahfeld beschränkt. Dies bedeutet, dass es nur an der Grenzfläche Metall/Dielektrikum existiert und seine Intensität mit zunehmender Entfernung in jedes Medium exponentiell abnimmt. Dies führt zu einer starken Verstärkung des elektrischen Feldes, wodurch SPPs unglaublich empfindlich gegenüber ihrer Umgebung werden. Darüber hinaus kann Nahfeldlicht auf Längenskalen unterhalb der Wellenlänge manipuliert werden.
Bisher wurden SPP/Nano-Emitter-Systeme ausführlich im optischen Fernfeld untersucht, aber die verwendeten Bildgebungstechniken sind beugungsbegrenzt und wichtige Subwellenlängenmechanismen können nicht sichtbar gemacht werden. In einer neuen Studie beschrieben in Nature Communications veröffentlicht Forscher in den USA haben mithilfe der spitzenverstärkten Nanospektroskopie SPPs in Nanoemittern im Nahfeld untersucht. Dies ermöglichte es dem Team, räumliche und spektrale Eigenschaften der sich ausbreitenden SPPs zu visualisieren. Tatsächlich könnte ihre Forschung zu aufregenden neuen praktischen plasmonischen Geräten führen.
Größer ist nicht immer besser
In den letzten Jahren stieß die Erforschung photonischer Geräte und deren Integration in Schaltkreise auf großes Interesse in Industrie und Wissenschaft. Denn im Vergleich zu rein elektronischen Geräten können photonische Geräte eine höhere Energieeffizienz und schnellere Betriebsgeschwindigkeiten erreichen.
Es müssen jedoch zwei große Herausforderungen bewältigt werden, bevor die Photonik die Elektronik in Mainstream-Anwendungen überholt. Zum einen ist es schwierig, rein photonische Geräte zu größeren Schaltkreisen zusammenzuschließen. Zum anderen kann die Größe photonischer Geräte nicht kleiner als etwa die Hälfte der Wellenlänge des von ihnen verarbeiteten Lichts gemacht werden. Letzteres begrenzt die Gerätegröße auf etwa 500 nm, was viel größer ist als bei modernen Transistoren.
Beide Probleme können durch die Entwicklung von Geräten gelöst werden, die mit SPPs statt mit herkömmlichem Licht arbeiten. Dies liegt daran, dass die lichtähnlichen Eigenschaften von SPPs einen extrem schnellen Gerätebetrieb ermöglichen, während die materieähnlichen Eigenschaften von SPPs eine einfachere Integration in Schaltkreise und einen Betrieb unterhalb der Beugungsgrenze ermöglichen.
Um jedoch praktische Nanoelektronik zu entwerfen, ist ein besseres Verständnis des Subwellenlängenverhaltens von SPPs erforderlich. Jetzt, Kiyoung Jo, ein Doktorand an der University of Pennsylvania, und Kollegen haben SPPs mithilfe spitzenverstärkter Nanospektroskopie untersucht. Diese Technik koppelt ein Fernfeldspektrometer mit einem Rasterkraftmikroskop (AFM).
Die mit Gold beschichtete AFM-Spitze streut Licht im Nahfeld, wodurch die SPPs mithilfe des Spektrometers räumlich und spektral abgebildet werden können. Die Probe wurde durch Schleuderbeschichten einer Lösung aus quasi-2D-Nanoplättchen (Nanometer-Flocken des Lichtemitters CdSe/Cd) hergestelltxZn1-xS) auf ein Goldsubstrat und anschließendes Abscheiden eines Aluminiumoxid-Dielektrikums mittels Atomlagenabscheidung.
Die Nanoplättchen wurden mit einem Laser angeregt und ihre anschließende Lichtemission löste SPPs aus, die sich entlang der Gold/Aluminiumoxid-Grenzfläche ausbreiteten. Die Forscher beobachteten, dass sich die SPPs über Hunderte von Mikrometern ausbreiten und auch von der Goldspitze auf ihrem ursprünglichen Weg zurückreflektiert werden könnten. Bei Reflexionen interferierten die einfallenden und reflektierten SPPs miteinander und bildeten eine stehende Welle zwischen der Spitze und dem Nanoplättchen (siehe Abbildung: „Quasiteilchenreflexionen“). Experimentell wurden diese als parabelförmige Streifen beobachtet.
Mit zunehmendem Abstand zwischen der Spitze und dem Nanoplättchen stellten die Forscher fest, dass die Intensität des elektrischen Feldes periodisch schwankte. Dies bestätigte das Vorhandensein einer stehenden Welle und zeigte, wie das Nanoplättchen und die Spitze als eine Art Hohlraum wirken. Computersimulationen zeigten jedoch, dass für die Beobachtung von Streifen zwar sowohl eine Spitze als auch ein Nanoplättchen erforderlich sind, das von den SPPs erzeugte elektromagnetische Feld jedoch nur bei einem vorhanden ist, was bestätigt, dass beide in der Lage sind, SPPs zu starten.
Polariton-Kondensation entsteht aus einem gebundenen Zustand im Kontinuum
Die Forscher untersuchten auch den Einfluss der Probeneigenschaften auf die SPP-Emission. Sie fanden beispielsweise heraus, dass Streifen nur dann auftraten, wenn die Nanoplättchen „mit der Kante nach oben“ (senkrecht zur Ebene des Substrats) lagen und der Anregungslaser so polarisiert war, dass sein Magnetfeld senkrecht zur Einfallsebene verlief (TM-Polarisation). . Dadurch kann die Polarisation des Anregungslasers als „Schalter“ zum einfachen Ein- und Ausschalten der SPPs verwendet werden, was eine wichtige Funktion für optoelektronische Geräte ist. Das Team fand außerdem heraus, dass die Form der Streifen zur Bestimmung der Dipolausrichtung des Nanoemitters verwendet werden kann, wobei die parabolische Form eine leichte Neigung nahelegt (kreisförmige Streifen würden einen Winkel von genau 90° zur Ebene des Substrats anzeigen). .
Auch die Dicke spielte eine wichtige Rolle bei den Eigenschaften der SPPs: Dickere Nanoplättchen führten zu stärkeren elektrischen Feldern und dickere Dielektrika führten zu längeren Ausbreitungswegen der SPPs. Studien mit verschiedenen dielektrischen Materialien (Titandioxid und einschichtiges Wolframdiselenid) zeigten, dass aufgrund der erhöhten Eingrenzung des elektrischen Feldes eine größere Dielektrizitätskonstante auch zu längeren Ausbreitungsentfernungen führte. Dies ist wichtig zu wissen, da die Ausbreitungsentfernung direkt mit der Energieübertragung durch die SPPs korreliert. Jo fasst zusammen: „Wir finden, visualisieren und charakterisieren den Energiefluss im Subwellenlängenbereich über SPPs in der Nähe einzelner nanoskaliger Emitter.“
Das Team hat gezeigt, dass die spitzenverstärkte Nanospektroskopie ein leistungsstarkes Werkzeug für die Untersuchung des Nahfelds in SPP-Systemen ist und die Bestimmung verschiedener Eigenschaften wie der Dipolorientierung und Auswirkungen auf das Probendesign ermöglicht. „Die Fähigkeit, photonische Phänomene im Subwellenlängenbereich in exzitonischen Halbleitern abzubilden und zu untersuchen, macht [die optische Nahfeld-Rastermikroskopie] zu einem wertvollen Werkzeug für Grundlagenstudien und Halbleitercharakterisierung“, sagt er Tiefer Jariwala, der korrespondierender Autor des Artikels ist, der das Werk beschreibt. Ein solch verbessertes Verständnis von SPP-Systemen wird für die Entwicklung praktischer nanooptoelektronischer Geräte von unschätzbarem Wert sein.
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- Quelle: https://physicsworld.com/a/surface-plasmon-polaritons-launched-by-nano-emitters-are-imaged-in-the-near-field/
