Opakovanie zo 4. lekcie Elektróny v nanoštruktúrach Ako sa nazýva atómový orbitál, ktorý je najviac zodpovedný za jeho chemické a magnetické vlastnosti? Čo majú spoločné atómy v jednotlivých stĺpcoch periodickej tabuľky prvkov? Aké dva typy kovalentných molekulových orbitálov je možné vytvoriť lineárnou kombináciou atómových orbitálov? Ktorý z nich má vyššiu celkovú energiu? Prečo sa diskrétne spektrum energetických hladín atómov viazaných v pevných látkach zmení na energetické pásy? Čo je to Fermiho energia? Môže mať elektrón v pevnej látke menšiu energiu ako je Fermiho energia? Čo je nutnou podmienkou k tomu, aby elektróny mohli reagovať pohybom na externé elektrické pole? Kde leží Fermiho energia v prípade polovodičov a izolantov, vo vzťahu k polohe energetických pásov? Ako je modelovaný pohyb elektrónov v kove v tzv. Drude-Sommerfeldovom modeli? Čo je to plazmón? Aký je rozdiel v rezonančnej frekvencii medzi objemovým a povrchovým plazmónom?
Lekcia 5 Úvod do nanofotoniky F3370 Úvod do nanotechnológií 2013
Úvodné poznámky James Clerk Maxwell svetlo je elektro-magnetická vlna, ktorú vyvoláva zrýchlený pohyb elektrického náboja (najčastejšie elektrónu, vďaka jeho malej hmotnosti). c = 10 8 m.s -1. Súčasne však svetelná vlna svojím E-M poľom ovplyvňuje pohyb elektrického náboja. Rovinná EM vlna: Kvantová mechanika svetlo je kvantované, energia fotónu E= hf, h=6,6x10-34 J.s, f frekv. Žiarenia elektrón: λ = h/p = h/mv fotón: λ = h/p = c/f Fotonika popisuje interakciu svetla a hmoty (t.j. nabitých častíc) na kvantovej úrovni. Javy v rozmeroch pod difrakčným limitom svela (tj. λ/2. ) študuje nanofotonika.
Plazmonika Povrchový plazmón kolektívna oscilácia 2D elektrónovej plazmy na rozhraní kov dielektrikum. Polaritón Akákoľvek zviazaná oscilácia medzi fotónmi a dipólmi v látke Pretože v dielektriku nie sú voľné elektróny, je pohyb PP menej tlmený ako pohyb objemového plazmónu. Povrchový plazmón kombinuje EM vlnu s povrchovým nábojom. Vznik PP je možný len ak existuje kolmá zložka elektrického poľa E na povrch rozhrania. Intenzita poľa smerom od rozhrania klesá (pole je evanescentné, tzn. viazané na rozhranie, nevyžaruje do okolia). V dielektriku je δ p ~λ /2, v kove hĺbka prenikania závisí od tzv. skin efektu (cca 10nm). Pomocou PP sa nám podarilo prilepiť svetelnú vlnu na povrch kovu, pričom minimálne rozmery kovovej štruktúry (~10nm) sú rádovo menšie než je vlnová dĺžka. Navyše energia plazmónu sa prenáša bez toho, aby elektróny individuálne, fyzicky prešli danú dráhu menšie tepelné straty uplatnenie v mikroelektroonike Barnes W.L., Nature 424, 2003
Plazmonické čipy Od budúcich čipov chceme aby boli miniatúrne a rýchle súčasne. Súčasné mikroprocesory majú svoje tranzistorové štruktúry na úrovni 22-50nm. Rýchlosť prenosu signálov generovaným mikroprocesrom na iné miesto (vzdialenosť cca cm) pomocu pohybu elektrónov v kovovom vodiči prestáva byť dostatočná, nad GHz výrazné tlmenie. Optické vlákna síce umožňujú prenášať THz (tzn. 1000 x viac dát než kovové vodiče) ale rozmery 22-50 nm sú pod difračným limitom svetla (λ=300-2000 nm). Riešenie tejto dilemy by mohli byť povrchové plazmóny. Vznik povrchového plazmónu napr. osvetlením úzkej ryhy v kovovom povrchu. Takýto plazmón dokáže prejsť niekoľko cm (čo pre mikroelektroniku bohato stačí). Pre reálne aplikácie, potrebujeme ešte zúžiť jeho plochu problematika plazmónových vlnovodov / plasmonic waveguides a ďalších plazmónových optoelektronických súčiastok. Atwater AH, Scientific American, 2007
Plazmónový väzobný člen/ coupler Plazmónový vlnovod / waveguide Základný trade-off je priestorová lokalizácia vs. straty šírenia (teda dostupná vzdialenosť) Jednou z možností ako usmerniť pohyb plazmónu je umiestniť dielektrikum medzi 2 kovové vrstvy. Nastavením hrúbky dielektrika je možné meniť vlnovú dĺžku plazmónu. Iné známe spôsoby: Atwater AH, Scientific American, 2007 NSOM - Near-field scanning optical microscopy
Plazmónový spínač / switch - napríklad zmenou geometrických, fázových parametrov súčiastky pomocou teploty, svetla. Očakávaná spínacia rýchlosť na úrovni pikosekúnd. Atwater AH, Scientific American, 2007 Rýchlejšie čipy (integrované obvody): Štrbinové vlnovody sú schopné významne zrýchliť činnosť rýchlejším posielaním dát na ich zbernice. Predstava na obrázku zobrazuje sieť optických vlákien, ktoré pomocou plazmónových spínačov posielajú dáta na elektronické tranzistory s rýchlosťou odpovedajúcou optickým frekvenciám.
Lokalizované povrchové plazmóny (LPP) Atwater AH, Scientific American, 2007 Vznikajú na povrchu kovových nanočastíc. Nešíria sa (preto lokalizovaný). Indukovaný dipólový moment (periodická zmena náboja) sa stane zdrojom EM žiarenia s rovnakou frekvenciou jako je dopajúca EM vlna, ale v inom smere. Nastáva rozptyl svetla ľudské oko vníma ako farbu v okolí. Rezonančná frekvencia LPP závisí od tvaru, veľkosti, materiálu častíc a od permitivity okolitého prostredia, viď Au nanočastice: Rayleighov rozptyl svetla na časticiach s rozmermi λ. Schaefer H-E: Nanoscience 2010
Aplikácie LPP Zviazané LPP (coupled) pre konštrukciu plazmónových vlnovodov SERS Surface enhanced Raman spectroscopy, až 10 10 zosilnenie optického signálu vďaka rezonancii s plazmónom, napr. Umiesnením analytu na texturovanú kovovú vrstvu, alebo vybudením plazmónu na hrote sondy (viď. dole). Možno detekovať atóm! Lykurgov pohár (4 stor. n.l.) mení farbu vďaka plazmónovej excitácii Au-Ag 70 nm častíc v sklennej matrici. Keď sa svetlo umiestni do vnútra, zelený pohár sa zmení na červený, kedže LPP rozptyľujú modrú farbu. Liečba rakoviny - 100 nm SiO 2 guličky pokryté vrstvou zlata sa z krvi dostanú do rýchlo-rastúceho tumoru. Infračervený laser dokáže preniknúť pokožkou a vyvolá rezonančný ohrev v rakovinových bunkách bez poškodenia zdravých.
Prenos svetla cez sub λ otvory Prechod svetla cez otvor s r >> λ sa rieši pomocou Huygensovho princípu, viď. Airyho krúžok. Experimenty na periodicky usporiadaných otvoroch v kovových filmoch s r << λ ukázali chýbajúci jav svetelnej difrakcie. Navyše, cez otvory preniklo viac svetla jako by odpovedalo veľkosti otvorov. Extraordinary transparency of perforated metal films - svetlo pri dopade na otvory vytvorí evanescentnú vlnu, ktorá prenesie na druhú stranu vrstvy. Ak je vrstva tenká a z kovu, povrchové plazmóny sú schopné tieto evanescentné vlny zosilniť. Transmisné spektrum pre štvorcovú sieť otvorov v 300nm vrstve Ag. Rozmery 330(Φ 155), 450 (Φ 180) a 550 (Φ 225)nm pre modrú, zelenú a červenú farbu. Dôkaz, že geomteria otvorov dokáže ovplyvniť vlastnosti prechádzajúceho svetla. Barnes W.L.: Nature 424, 2003
Fotonické kryštály Yablonovitch E: Scientific American, Dec. 2001 Fotonický kryštál je médium, v ktorom sa periodicky mení index lomu v jednom, dvoch, alebo troch rozmeroch. Vďaka tomu sa fotón správa podobne ako elektrón v kryštálovej mriežke, napr. má zakázaný pás energie. Zakázaná vlna Povolená vlna
Prírodné fotonické kryštály Brilantná modrá farba tropického motýľa Morpho peleides vďaka 1D periodicite. 3D štruktúra opálu zodpovedná za jeho dúhové farby 2D štruktúra pávieho pera Vukusic P.: Physics World 2004
Umelé fotonické kryštály Antireflexná sol-gel nanoštrukturovaná vrstva ORMOCER. Zlepšenie účinnosti solárnych článkov (moth-eye effect, podobne texturovaný povrch majú oči nočných motýľov). Yablonovite, prvý fotonický 3D kryštál so zakázaným pásom vo všetkých smeroch. Napr. 15 GHz fotón (λ=2cm) nemôže vo vnútri Y. existovať. Význam pre zvýšenie výkonu laserov, ak by pumpovanie prebiehalo vo vnútri vhodného fotonického kryštálu. http://optoelectronics.eecs.berkeley.edu/
Metamateriály Materiály, ktoré sa v prírode nevyskytujú. Napríklad so záporným indexom lomu. Viktor Georgijevič Veselago, 1968: ε a μ musia byť záporné, tzn. elekróny sa musia pohybovať proti smeru budiaceho elektrického a magnetického poľa. To nastane, ak ich dostaneme mimo fázu s budiacim EM poľom žiarenia. =1.3 Materiál s n=-1 by umožnil zostrojiť dokonalú šošovku (super lens), pretože pre ňu neplatí difrakčné skladanie. Detaily obrazu sú menšie ako použitá vlnová dĺžka. Pendry J.B: Scientific American, July 2006
Technická realizácia záporného n Pre mikrovlny 10GHz, mriežka 2.68mm. SRR, split ring resonator akýsi meta-atóm, ktorý má dosiahnuť záporné μ Pri prechode k optickým vlnovým dĺžkam rastú straty v kove. Využijeme preto plazmóny: Au nanotyčky oddelené SiO 2. Prvý úspešný design pre λ=1,5 μm (telekomunikač né frekvencie). 30nm Au vrstvy oddelené 60nm vrstvou Al 2 O 3 s elipsovitými /hranatými otvormi. V roku 2007 n=-4.
Kvantové tečky (bodky) / quantum dots Nanometrové polovodičové kryštály s priemerom 5-10nm (10-50 atómov), so zaujímavými vlastnosťami hlavne pre biológov. Keď fotón zasiahne polovodič, excituje elektrón do vyššieho vzbudeného stavu. Pri návrate do základného stavu elektrón emituje nový fotón. Pri excitácii zostávajú elektróny v istej konkrétnej vzdialenosti od diery, ktorý za sebou zanechali (polomer excitónu). Ich vlnové funkcie sa navzájom prelínajú, preto hovoríme o kvázičastici - excitón. Typicky používané QB materiály majú polomer excitónu 5-10nm. Ak je však rozmer kryštálu menší, ako polomer excitónu, uplatní sa jav známy ako kvantové uväznenie (quantum confinement) a spôsobí posun farby absorbovaného fotónu ku kratším vlnovým dĺžkam (tzn. viac energie). Pre CdSe zmenami rozmerov 2-6nm je možné pokryť celé viditeľné spektrum. Typické materiály: II-VI: ZnO, ZnS, ZnSe, CdS, CdSe, CdTe III-V: GaN, GaP, GaAs, InP, InAs IV-VI: Si, Ge Pridávanie atómov do klastera mení šírku zakázaného pásu. Klarreich E: NATURE 413, 2001
Fotoluminiscencia a QB Excitovaný elektrón môže pred svojou relaxáciou do základného stavu uskutočniť niekoľko neradiačných prechodov, resp. zrážok, a znížiť tak svoju energiu. Vďaka tomu bude mať vyžiarený fotón inú farbu ako prijatý. Jav je známy ako fluorescencia a využíva sa pri fluorescenčnom značkovaní (mikroskopii). Fotolumininiscenčné látky sú zvyčajne komplexné molekuly, obsahujúce napr. prvky vzácnych zemín. UV osvetlenie Denné svetlo CdTe nanokryštály, R=2,6nm.
Kvantové bodky ako farbivá pre fluorescenčné merania QB sa vyznačujú vyššou stabilitou s porovnaní s chemickými fluorescenčnými markermi (farbivami). Pridanie obalu na QB môže zlepšiť jej emisivitu, ale aj zabezpečiť špecifickú chemickú (biologickú) afinitu. http://www.invitrogen.com Mod.- bunk. Jadro; Ruž. špecifický proteín v jadre; Žlt. mitochondrie; Červ. aktínové filamenty
Zhrnutie Povrchové plazmóny dosiahnutie kontroly ich pohybu umožmí skokovú zmenu v stupni intregrácie polovodičových čipov Fotonické kryštály Pomocou nanoštrukturovaných materiálov je možné dosiahnuť nečakané svetelné javy, prípadne vyrobiť tzv. metamateriály (napr. dokonalé šošovka so záporným indexom lomu). Kvantové bodky našli uplatnenie v zobrazovacích fotoluminiscenčných technikách. Veľký potenciál pre aplikácie v medicíne. Zoznam nanofotonických aplikácií v tejto prednáške rozhodne nie je úplný.