XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

ВВЕДЕНИЕ

Наноплазмоника — составная часть нанофотоники, занимающаяся исследованием оптических свойств и явлений, возникающих при колебаниях электронов проводимости в металлических наноструктурах и наночастицах, и взаимодействием этих колебаний со светом, атомами и молекулами.

Наноплазмоника изучает явления, связанные с колебаниями электронов проводимости в металлических наноструктурах и наночастицах и взаимодействие этих колебаний со светом, атомами и молекулами, с целью создания сложных оптических наноустройств.

Плазмонные колебания в наночастицах существенно отличаются от поверхностных плазмонов, и называются локализованными плазмонами.

Важнейшая особенность явлений в наноплазмонике — сочетание сильной пространственной локализации электронных колебаний с высокой частотой этих колебаний (от ультрафиолетового диапазона до инфракрасного). Сильная локализация приводит к гигантскому увеличению локальных оптических и электрических полей. Свойства локализованных плазмонов критически зависят от формы наночастиц, что позволяет настраивать систему их резонансов на эффективное взаимодействие со светом или элементарными квантовыми системами (молекулами, квантовыми точками) [1].

Эти свойства плазмонных наночастиц позволи обнаружить ряд новых эффектов:

Гигантские локальные поля вблизи наночастиц приводят к увеличению сечения комбинационного рассеяния на 10-14 порядков, что позволяет обнаруживать отдельные молекулы;

Наличие локальных полей дает возможность определять структуру ДНК без без прикрепления к ней маркеров;

Используя сложную структуру спектров плазмонных частицможно одновременно усиливать ипоглощение и испускание света наночастицами и создавать эффективные флюорофоры и наноразмерные источники света;

Плазмонные наночастицы можно использовать для стимулированного усиления плазмонных колебаний в наночастицах оптическим излучением.

Благодаря очень малым размерам металлических наноструктур и оптическому быстродействию происходящих в них процессов наноплазмоника позволит создать новую элементную базу для оптических компьютеров и устройств обработки данных.

Для реализации этой идеи сначала должны появиться плазмонные устройства, аналогичные традиционным транзисторам (приборам для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний), из которых можно будет собирать сверхбыстрые сигнальные процессоры.

До настоящего времени дальнейшее активное развитие наноплазмоники серьезно сдерживалось отсутствием работающих устройств, способных эффективно генерировать когерентные плазмонные поля. Иными словами, на протяжении многих лет одной из ключевых практических задач, стоящих перед разработчиками новых наноплазмонных структур, считалось создание плазмонного аналога лазера.

Важнейшая черта явлений в наноплазмонике заключается в комбинации сильной пространственной локализации электронных колебаний с их высокой частотой (в диапазоне от ультрафиолетового до инфракрасного). В свою очередь, сильная локализация приводит к гигантскому увеличению локальных оптических и электрических полей. И, наконец, свойства локализованных плазмонов критически зависят от формы наночастиц, что позволяет «настраивать» их систему резонансов на эффективное взаимодействие со светом или элементарными квантовыми системами (молекулы, квантовые точки).

Эти важнейшие свойства плазмонных наночастиц уже позволили обнаружить целый ряд новых эффектов. Прежде всего, гигантские локальные поля вблизи наночастиц приводят к увеличению сечения комбинационного рассеяния на 10-14 порядков, что позволяет говорить о возможности наблюдения отдельных молекул. Эти же локальные поля могут привести к разработке методов определения структуры ДНК без прикрепления к ним флюоресцентных маркеров. Используя сложную структуру спектров плазмонных наночастиц, можно одновременно усиливать как поглощение, так и испускание света ими и, таким образом, создавать эффективные флуорофоры и наноразмерные источники света (и даже нанолазеры). Помимо этих новых приложений, основанных на физике плазмонных наночастиц, использование достижений наноплазмоники позволяет существенно увеличить отношение эффективность-стоимость, например, в солнечных батареях и светоизлучающих диодах. И, наконец, считается, что наноплазмоника позволит создать новую элементную базу для компьютеров и устройств обработки данных за счет использования малых размеров металлических наноструктур и оптического быстродействия происходящих в них процессов. Сами по себе элементы полупроводниковых устройств могут иметь и очень малые размеры (в процессорах Intel уже используются технологии 65 нм) и высокие частоты функционирования, однако соединение этих элементов электрическими проводниками приводит к ограничениям частоты функционирования, связанным с неустранимым выделением в проводниках тепла. С другой стороны, фотонные устройства (оптоволоконная техника) имеют высокие (оптические) частоты функционирования, но при этом их физические размеры слишком велики для наноустройств. Использование вместо проводников наноплазмонных волноводов позволит устранить эти проблемы и повысить частоты функционирования компьютеров и других устройств [2].

Еще одним важным применением наноплазмоники является создание метаматериалов, т. е. искусственных материалов, в которых место обычных атомов занимают плазмонные наночастицы или наноструктуры специально подобранной формы. Иногда такие частицы называют «искусственными атомами» или «плазмонными атомами». Такие метаматериалы обладают свойствами, которыми принципиально не могут обладать естественные материалы. Например, плазмонные метаматериалы могут иметь не только отрицательную диэлектрическую проницаемость (как в обычных благородных металлах), но и отрицательную магнитную проницаемость. Комбинация этих свойств приводит к возможности создания оптических устройств (наноскопов), в которых, в отличие от обычных микроскопов, не существует т. н. дифракционного предела и можно увидеть объекты размером в несколько нанометров.

На основании плазмонных метаматериалов также разрабатывается концепция т. н. покрытия-невидимки («плаща-невидимки»). Этот метаматериал с такими распределениями электрических и магнитных свойств, что все лучи света будут обходить некоторый объем без рассеяния и отражения и, следовательно, любой объект, помещенный внутрь этого объема, будет казаться невидимым для стороннего наблюдателя [3].

ПЛАЗМА ТВЕРДЫХ ТЕЛ

Плазма твердых тел состоит из ионов, атомов, совершающих малые колебания относительно положений равновесия, и подвижных носителей заряда- электронов совершающих движение в самосогласованном поле. Плазма типичных металлов–сильно вырожденная электронная ферми-жидкость. Электроны движется в условиях сильного взаимодействия с ионами кристаллической решетки, формирующего их энергетический спектр, и столкновениях с примесями и дефектами кристаллической решетки. Концентрация носителей заряда велика в металлах   . Плазма в среднем электрически нейтральна. За счет флуктуаций в ней возникают плазменные колебания.

ПЛАЗМОНЫ

Для их описания вводят квазичастицу-квант плазменных колебаний называемую плазмоном с энергией  и импульсом. Плазмоны в металлах самые высокоэнергетические возбуждения. Плазмоны (волны электронной плотности) возникают в твердых телах (объемные плазмоны) или вблизи их поверхности в результате коллективных колебаний электронов проводимости относительно ионов [4].

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 электроннофотонных устройствах [5].

Таким образом, наноплазмоника может быть основой для:

Очень чувствительной сенсорной и биосенсорной техники (особенно в сфере медицины);

Предупреждении террористической деятельности;

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

У границы проводник—вакуум возникает поверхностный плазмон возбуждение, затухающее вглубь среды, частота которого в   раз меньше частоты объемного плазмона. Дисперсия этих плазмонов определяется зависимостью частоты от двумерного волнового вектора, лежащего в плоскости поверхности. Поверхностный плазмон содержит продольную составляющую электрического поля лежащую на поверхности и поперечную составляющую электрического поля, нормальную к поверхности. Поверхностные плазмоны — это кванты колебаний плотности свободных электронов металла, распространяющиеся только вдоль его границы с диэлектриком или вакуумом [6].

Поверхностные плазмоны (плазмон, распространяющийся по границе проводника с диэлектриком) 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 [7].

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.

ПЛАЗМОННЫЙ РЕЗОНАНС

Плазмонный резонанс—возбуждение поверхностного плазмона на его резонансной частоте внешней электромагнитной волной (в случае наноразмерных металлических структур называется локализованным плазмонным резонансом).

Технический прием, позволяющий использовать поверхностные плазмоны в оптике, основан на использовании полного внутреннего отражения. При полном внутреннем отражении, вдоль отражающей свет поверхности, распространяется электромагнитная волна, скорость которой зависит от угла падения. Если при определенном угле падения скорость этой волны совпадет со скоростью поверхностного плазмона на поверхности металла, то условия полного внутреннего отражения нарушатся, и отражение перестанет быть полным, возникнет поверхностный плазмонный резонанс.

В наноразмерных металлических системах происходит модификация коллективных электронных возбуждений. Коллективное электронное возбуждение металлических наночастиц, размер которых меньше длины волны электромагнитного излучения в окружающей среде — локализованный поверхностный плазмон, — колеблется на частоте, меньшей частоты объемного плазмона в   раз, тогда как частота поверхностного плазмона примерно в   раз меньше, чем частота объемного плазмона. При совпадении частоты внешнего поля с частотой локализованного поверхностного плазмона возникает резонанс, приводящий к резкому усилению поля на поверхности частицы и увеличению сечения поглощения.

Свойства локализованных плазмонов критически зависят от формы наночастиц, что позволяет настраивать систему их резонансов на эффективное взаимодействие со светом или элементарными квантовыми системами.

В настоящее время явление поверхностного плазмонного резонанса широко применяется при создании химических и биологических сенсоров (биосенсоров). При контакте с биообъектами (ДНК, вирусы, антитела) плазмонные эффекты позволяют более чем на порядок увеличить интенсивность сигналов флуоресценции, то есть значительно расширяют возможности обнаружения, идентификации и диагностики биологических объектов.

НАНОЛАЗЕР НА ПОВЕРХНОСТНЫХ ПЛАЗМОНАХ (СПЕЙЗЕР)

Разработчики одного из самых перспективных направлений современных нанотехнологических исследований, нанофотоники, создали важнейшее устройство, которое может стать основным компонентом будущих оптических компьютеров.

Интернациональная команда физиков-экспериментаторов из трех американских университетов, Пардью, Норфолка и Корнелла, впервые продемонстрировала рабочий прототип нанолазера — самого маленького в истории генератора светового излучения, диаметр рабочей поверхности которого всего 44 нм. Это уникальное устройство называют также спазером или спейзером (от английской аббревиатуры SPASER — Surface Plasmon Amplification by Simulated Emission of Radiation), «усиление стимулированного излучения поверхностными плазмонами». Оно создает специфическую форму излучения — мощный поток света, стимулированный так называемыми поверхностными плазмонами (surface plasmons).

Краткий отчет о полученных исследователями результатах был представлен в онлайн-выпуске журнала Nature от 16 августа2013г. Среди ведущих авторов отчета, координировавших проект, два выходца из России — профессор Университета Пардью (штат Индиана) Владимир Шалаев и профессор Норфолкского университета (штат Виржиния) Михаил Ногинов. Владимир Шалаев - выпускник Красноярского государственного университета, в 1983 году защитил там же кандидатскую диссертацию и затем до 1990 года работал в красноярском Институте физики им. Л. В. Киренского. Михаил Ногинов окончил в 1985 году Московский физико-технологический институт (МФТИ) и стал кандидатом физматнаук в Институте общей физики им. А. М. Прохорова (ИОФ РАН).

Активное участие в проекте принимал еще один выпускник МФТИ (кандидатская диссертация 1995 года), Евгений Нариманов, тоже перебравшийся в Университет Пардью, а в костяк исследовательской команды Владимира Шалаева в этом университете входят Владимир Драчев и Александр Кильдишев.

В разнообразных физических экспериментах, проводимых с начала 80-х годов прошлого века, поверхностные плазмоны возбуждали при помощи направленного к поверхности металла лазерного луча. Ученые установили, что при определенных условиях (точно подобранном угле лазера, варьировании толщины, химического состава соприкасающихся поверхностей и проч.) плазмонные волны могут колебаться с той же частотой, что и внешние электромагнитные.

При этом у обычных световых волн эффективная длина ограничена дифракционным пределом, то есть при использовании обычных материалов с положительным коэффициентом преломления наилучшее разрешение, которое возможно получить при их помощи, соответствует примерно половине длины набегающей волны света, используемой для создания изображения.

Плазмонные же волны распространяются на дистанции значительно короче, а значит, обладают длиной волны, намного меньше «магического предела».

Благодаря этому свойству поверхностных плазмонов у теоретиков возникла идея миниатюрных электронных устройств, базирующихся на эффективном управлении физическими свойствами плазмонных волн, проявляемыми на наноуровне.

Теоретические основы такого устройства были впервые подробно изложены в 2003 году Марком Стокманом из Университета штата Джорджия (США) и израильтянином Давидом Бергманом (Тель-Авивский университет). Аббревиатурау SPASER расшифровывается как «усиление стимулированного излучения поверхностными плазмонами».

УСТРОЙСТВО СПАЙЗЕРА

Разработанный группой Ногинова, Шалаева первый действующий прототип спейзера внешне представляет собой одиночную золотую наночастицу сферической формы, заключенную в кварцевую оболочку, поверхность которой была покрыта зеленым органическим красителем. Подобно обычному лазеру, для достижения необходимой энергии спейзеру требовалась специальная накачка внешним источником электромагнитного излучения наночастицы лазерными пучками. Облученная лазером наночастица возбуждала молекулы оболочечного красителя, и они, в свою очередь, передавали полученную энергию окружающим электронам, которые и создавали в итоге поверхностные плазмонные колебания. Возникшие благодаря плазмонным колебаниям расходящиеся электромагнитные волны обладали характерной для зеленого света длиной 531 нм. Эти расходящиеся волны излучали свет по всем направлениям, тогда как «нормальный» лазер должен производить узконаправленный луч света.

По словам Владимира Шалаева, зарегистрированные учеными характерные пики и подошвы световых волн свидетельствовали, что плазмонные колебания происходили синхронно, то есть они все-таки обладали важнейшим свойством лазерного излучения — когерентностью.

Михаил Ногинов полагает, что способность спейзера генерировать когерентные поверхностные плазмоны может оказаться в практическом плане даже более важной, чем его дальнейшее использование в качестве обычного нанолазера, поскольку открывает дорогу для разработки нового поколения сверхбыстрой наноэлектроники.

Стокман: «Спейзер — это самый маленький из возможных квантовый усилитель и генератор оптических полей на наноуровне, в теории его размеры можно уменьшить почти до одного нанометра. И благодаря тому, что он работает почти в тысячу раз быстрее, чем самый быстрый из имеющихся на сегодня транзисторов, на его основе вскоре могут быть сконструированы сверхбыстрые усилители, логические элементы и микропроцессоры, на несколько порядков превосходящие по своей производительности традиционные кремниевые аналоги» [8].

Для реального применения в оптических компьтерах будущего, потребуется найти эффективные механизмы его «электрического сопряжения» с полупроводниками без использования внешней лазерной накачки. По крайне оптимистическим оценкам Марка Стокмана, первые гибридные устройства такого рода могут появиться уже в течение ближайшего года, но другие специалисты в данной области пока проявляют большую сдержанность.

Так, по мнению профессора Калифорнийского университета Риверсайда Сахрата Хизроева, несмотря на огромную значимость проделанной Шалаевым, Ногиновым и их коллегами работы, спейзеры, по всей видимости, найдут свое первое практическое применение не в качестве базовых элементов оптических компьютеров, а в производстве различных устройств магнитного накопления и хранения данных. «Магнитные носители, использующиеся сегодня для жестких дисков, фактически уже достигли физических пределов своих возможностей, и одним из наиболее перспективных способов увеличения их эффективности как раз и может стать применение нанолазеров для сверхточечного нагревания этих носителей в процессе записи информации».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

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

Каплун В.А., Браммер Ю.А., Лохова С.П., Шостак И.В. Радиотехнические устройства и элементы радиосистем. Учебное пособие. М.: Высшая школа, 2002.- 294 с.

Asakawa K. et al. “Photonic crystal and quantum dot technologies for all-optical switch and logic device,” New Journal of Physics, V.8, N.208 (2006), P. 1-26.

Serebrennikov A.M. “Multipolar resonant particle modes as elementary excitations in chain waveguides: Theory, dispersion relations and mathematical modeling,” Optics Communications, V. 284, N. 21 (2011), P. 5043-5054.

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

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

Электронный ресурс. URL: https://studopedia.ru/5_26695_tehnologiya-nanoplazmoniki.html

Электронный ресурс. URL: https://otherreferats.allbest.ru/radio/01113867_0.html

Википедия - свободная энциклопедия.

Код для цитирования: Скопировать