2D 및 유사 2D 재료로 만든 발광체는 유전체 스크리닝이 없기 때문에 전자-정공 쌍(여기자)이 환경에 매우 민감하기 때문에 현재 나노 광전자 공학에서 큰 관심을 받고 있습니다. 이는 고감도 광센서 및 전기화학 센서와 같은 장치를 만드는 데 유리합니다.
금속/유전체 기판의 금속 표면에 직접 증착될 때 이러한 준 2D 물질 또는 "나노 방출기"에서 방출되는 빛은 표면 플라즈몬 폴라리톤(SPP)을 생성할 수 있습니다. 이들은 금속/유전체 계면에 존재하고 이를 따라 파동으로 전파되는 가벼운 물질 준입자입니다. SPP는 금속 표면의 전하 진동(표면 플라즈몬)과 결합되는 유전체의 전자기파(폴라리톤)입니다. 결과적으로 SPP는 물질 및 빛과 유사한 속성을 갖습니다.
SPP의 전자기장은 근거리장으로 제한됩니다. 이것은 금속/유전체 계면에만 존재하며 각 매체로의 거리가 증가함에 따라 강도가 기하급수적으로 감소한다는 것을 의미합니다. 이로 인해 전기장이 크게 향상되어 SPP가 환경에 매우 민감해집니다. 또한, 근거리장 조명은 하위 파장 범위에서 조작할 수 있습니다.
지금까지 SPP/나노 방출기 시스템은 광학 원거리장에서 광범위하게 연구되었지만 사용된 이미징 기술은 회절 제한적이며 중요한 하위 파장 메커니즘을 시각화할 수 없습니다. 에 기술된 새로운 연구에서 자연 통신, 미국의 연구원들은 근거리에서 나노 방출기의 SPP를 연구하기 위해 팁 강화 나노분광법을 사용했습니다. 이를 통해 팀은 전파하는 SPP의 공간 및 스펙트럼 속성을 시각화할 수 있었습니다. 실제로, 그들의 연구는 흥미롭고 새로운 실용적인 플라즈몬 장치로 이어질 수 있습니다.
더 크다고 항상 더 좋은 것은 아니다
최근 몇 년 동안 광소자 및 회로로의 통합에 대한 연구는 산업계와 학계에서 큰 관심을 불러일으켰습니다. 순수 전자소자에 비해 광소자는 더 높은 에너지 효율과 더 빠른 작동 속도를 달성할 수 있기 때문이다.
그러나 포토닉스가 주류 응용 분야에서 전자 제품을 추월하기 전에 극복해야 할 두 가지 큰 과제가 있습니다. 하나는 순전히 광자 장치가 더 큰 회로를 형성하기 위해 함께 연결하기 어렵다는 것입니다. 다른 하나는 광자 장치의 크기를 그들이 처리하는 빛의 파장의 약 절반보다 작게 만들 수 없다는 것입니다. 후자는 장치 크기를 약 500nm로 제한하며, 이는 최신 트랜지스터보다 훨씬 큽니다.
이 두 가지 문제는 기존 조명이 아닌 SPP를 사용하여 작동하는 장치를 만들면 해결할 수 있습니다. 이는 SPP의 빛과 같은 특성으로 인해 매우 빠른 장치 작동이 가능하고 SPP의 물질과 같은 특성으로 인해 회절 한계 아래에서 회로 및 작동에 쉽게 통합될 수 있기 때문입니다.
그러나 실용적인 나노 전자공학을 설계하기 위해서는 SPP의 하위 파장 거동에 대한 더 나은 이해가 필요합니다. 지금, 주기영펜실베니아 대학의 박사 과정 학생인 와 동료들은 팁 강화 나노분광법을 사용하여 SPP를 연구했습니다. 이 기술은 원자력 현미경(AFM)과 원거리 분광계를 결합합니다.
금으로 코팅된 AFM 팁은 근거리에서 빛을 산란시켜 SPP가 분광계를 사용하여 공간 및 스펙트럼 이미지를 만들 수 있도록 합니다. 샘플은 quasi-2D nanoplatelet(발광기 CdSe/Cd의 나노미터 크기 플레이크) 용액을 스핀 코팅하여 제작되었습니다.xZn1-XS) 금 기판 위에 원자층 증착을 사용하여 알루미늄 산화물 유전체를 증착합니다.
나노 혈소판은 레이저를 사용하여 여기되었고 이후의 광 방출은 금/산화 알루미늄 계면을 따라 전파되는 SPP를 시작했습니다. 연구원들은 SPP가 최대 수백 미크론까지 전파될 수 있고 원래 경로를 따라 다시 금 팁에 의해 반사될 수 있음을 관찰했습니다. 반사의 경우, 입사 및 반사된 SPP가 서로 간섭하여 팁과 나노판 사이에 정재파를 형성했습니다(그림: "준입자 반사" 참조). 실험적으로 이들은 포물선 모양의 변두리로 관찰되었습니다.
팁과 나노 혈소판 사이의 거리가 증가함에 따라 연구원들은 전기장의 강도가 주기적으로 변한다는 것을 발견했습니다. 이것은 정재파의 존재를 확인하고 나노 혈소판과 팁이 일종의 공동으로 작용하는 방식을 보여주었습니다. 그러나 컴퓨터 시뮬레이션은 줄무늬를 관찰하기 위해 팁과 나노 혈소판이 모두 필요하지만 SPP에 의해 생성된 전자기장은 하나만 존재하여 둘 다 SPP를 시작할 수 있음을 확인했습니다.
폴라리톤 응축은 연속체의 경계 상태에서 나타납니다.
연구원들은 또한 SPP 방출에 대한 샘플 특성의 영향을 조사했습니다. 예를 들어, 그들은 나노판이 "가장자리가 위"(기판 평면에 수직)이고 여기 레이저가 자기장이 입사 평면에 수직이 되도록 편광(TM 편광)되었을 때만 줄무늬가 발생한다는 것을 발견했습니다. . 결과적으로 여기 레이저의 편광은 광전자 장치의 중요한 기능인 SPP를 쉽게 켜고 끄는 "스위치"로 사용될 수 있습니다. 팀은 또한 포물선 모양이 약간 기울어져 있음을 암시하는 포물선 모양(원형 줄무늬는 기판 평면에 대해 정확히 90°의 각도를 나타냄)과 함께 줄무늬의 모양이 나노 방출기의 쌍극자 방향을 결정하는 데 사용될 수 있음을 발견했습니다. .
두께는 또한 SPP의 특성에 중요한 역할을 했으며, 두꺼운 나노판은 더 강한 전기장을 생성하고 두꺼운 유전체는 더 긴 SPP 전파 거리를 생성했습니다. 서로 다른 유전 물질(이산화티타늄 및 단층 텅스텐 디셀레나이드)을 사용한 연구에서는 증가된 전기장 구속으로 인해 유전 유전율이 클수록 전파 거리도 길어지는 것으로 나타났습니다. 전파 거리는 SPP에 의한 에너지 전달과 직접적인 관련이 있기 때문에 이를 아는 것이 중요합니다. Jo는 "우리는 개별 나노스케일 이미터 부근에서 SPP를 통해 하위 파장 스케일 에너지 흐름을 찾고, 시각화하고, 특성화했습니다."라고 요약합니다.
팀은 팁 강화 나노분광법이 SPP 시스템의 근거리장 연구를 위한 강력한 도구임을 보여주었고, 이를 통해 쌍극자 방향 및 샘플 설계의 의미와 같은 다양한 특성을 결정할 수 있습니다. "여기자 반도체에서 서브파장 광자 현상을 이미지화하고 검사할 수 있는 능력은 [근거리 주사 광학 현미경]을 반도체 특성화뿐만 아니라 기초 연구를 위한 귀중한 도구로 만듭니다."라고 말합니다. 딥 자리왈라, 작업을 설명하는 논문의 교신 저자입니다. SPP 시스템에 대한 이러한 향상된 이해는 실용적인 나노 광전자 장치 개발에 매우 중요합니다.
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- 출처: https://physicsworld.com/a/surface-plasmon-polaritons-launched-by-nano-emitters-are-imaged-in-the-near-field/
