XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

В данной статье рассмотрены основные реализации нанофотонных устройств, основанных на локализованных плазмонах, и их применения.

In this article, principal realizations and applications of nanophotonic devices based on localized plasmons are considered.

Человечество с давних пор использовало эффекты, вызванные плазмонами, правда, не понимая их сути, в первую очередь для окрашивания стекла с помощью наночастиц, вводимых в расплав: как пример, вспомним знаменитую вазу Ликурга, цветные стёкла для витражей, стёкла, выплавляемые М.В. Ломоносовым, рубиновое стекло для Кремлёвских звёзд (см. рис. 1). В настоящее время эффекты с участием локализованных плазмонов используются в фотонных метаматериалах, нанолазерах, оптических наноантеннах, различных датчиках, сенсорах и других приборах.

Рис. 1 Слева-Ваза Ликурга, посередине- стекла Ломоносова, справа-рубиновое стекло

А что же представляет из себя плазмон? Плазмон — квант плазменных колебаний. В плазме твердого тела термины плазмон и плазменное (ленгмюровское) колебание часто используют как синонимы. Существование плазмонов является следствием кулоновского взаимодействия между носителями заряда: возмущение плотности заряда создает электрическое поле, которое вызывает ток, стремящийся восстановить электронейстральность; из-за инерции носители «проскакивают» положение равновесия, что и приводит к коллективным колебаниям. Свойства плазмона зависят от зонной структуры кристалла, наличия границ и магнитного поля, эффективной размерности системы.

Далее рассмотрим возможные и иной раз перспективные сферы применения плазмонов.

В первую очередь плазмоны можно использовать для генерирования, передачи и приема сигнала в интегральных схемах, а также они используются в спазерах, наноисточниках плазмонного излучения, первый работающий образец которых был создан в 2009 году.

Ниже приедены возможные реализации плазмонной технологии:

для высокочувствительных сенсоров,

для повышения чувствительности флуоресцентного анализа,

для создания планарных интегрированных субволновых оптоэлектронных структур,

с целью поверхностного усиления нелинейных электромагнитных процессов,

в оптической ближнеполевой микроскопии.

Благодаря плазмонам мы получаем электромагнитную волну оптического диапазона частот, но с наноразмерной длиной, характерной для рентгеновских лучей. Это является поводом для использования плазмонных эффектов в наноразмерных электронно-фотонных устройствах.

Таким образом, наноплазмоника может быть основой для:

1) очень чувствительной сенсорной и биосенсорной техники (особенно в сфере медицины),

2) предупреждении террористической деятельности,

3) Эффекта плазмонного усиления поглощения, представляющего интерес для повышения эффективности сбора энергии в солнечных элементах.

Р
ис. 2 Электромагнитное поле плазмона

Поверхностные плазмоны (плазмон, распространяющийся по границе проводника с диэлектриком (см.рис.2)) могут использоваться для сжатия длин волн оптической частоты и для улавливания затухающих нераспространяющихся волн, которые теряются при формировании обычных изображений, что является причиной дифракционных ограничений. Поэтому напрашивается применить плазмонную технику в субволновой нанолитографии.

Как перспективные применения следует также отметить наноплазмонные устройства на нелинейных оптических эффектах, оптический захват и манипулирование наночастицами (оптический пинцет), различные применения фотонных метаматериалов, лазерные наноантенны, развитие плазмонных волноводных структур, позволяющих осуществлять транспорт и манипуляцию светом в субволновом масштабе, что перспективно для создания субволновых оптических интегрированных приборов и многое другое.

Вывод

Рассмотрена реализация наноразмерных электронно-фотонных элементов и приборов на основе плазмонных эффектов в наночастицах. Наноплазмоника стала реальной областью науки и техники, и, хотя прошло не очень много времени с момента начала интенсивных исследований в данной области, учёные уже достигли существенных полезных результатов, но впереди ещё очень много интересной и многообещающей работы.

Список литературы

Климов В.В. Наноплазмоника. – М.: Физмат. лит., 2009. – 480 с.

Вольпян О.Д., Кузьмичёв А.И. Наноразмерные электронно-фотонные устройства на основе поверхностных плазмонных поляритонов // Электроника и связь. – 2011. Тематический выпуск “Электроника и нанотехнологии”.

Вольпян О.Д., Кузьмичёв А.И. Вопросы технологии наноструктурных фотонных метаматериалов // Электроника и связь. – 2009. № 2-3. Ч. 1. – С. 50–55.

Старостин В.В. Материалы и методы нанотехнологии. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008. – 431 с.

Электронный ресурс. URL: https://studfiles.net/preview/6268702/page:19/

Электронный ресурс. URL: https://planet-today.ru/novosti/nauka/item/46741-fiziki-sozdali-idealnye-plazmony-dlya-opticheskikh-ustrojstv-budushchego