Нанофотоника

Нанофотоника

Нанофотоника

В области инфокоммуникационных технологий нанофотонику рассматривают как альтернативу современной электронике. Применение фотонов, а не электронов, при передаче и обработке информации дает существенные преимущества из-за большого быстродействия и устойчивости к помехам фотонных каналов связи.

Что такое нанофотоника?

Определение 1

Нанофотоникой называют раздел фотоники, который рассматривает процессы, проявляющиеся при взаимодействии света с очень малыми объектами.

Целью нанофотоники считают создание материалов с новыми оптическими свойствами, которые позволили бы сконструировать фотонные устройства.

К устройствам нанофотоники причисляют объекты, применяющие элементы, размер которых меньше, чем $10{-7}$ м. Эти устройства решают проблемы уменьшения размеров большого числа оптических систем, которые содержат:

  • волноводы,
  • резонаторы,
  • интерферометры и др.

Вычислительные устройства, использующие нанофотоные объекты, существенно превосходят электронные аналоги в области быстродействия. Они дают возможность обойти проблемы, которые связаны с выделением тепла и электропитанием в вычислительных системах.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Проблемой при использовании устройств нанофотоники является на сегодняшний день отсутствие надежных электрооптических переключателей, которые позволяли бы преобразовывать электрические сигналы в оптические и обратно.

Оптические наноматериалы

Наноматериалы имеют ряд особенностей, которые определяют их уникальные оптические и электропроводящие свойства:

  1. Очень малый размер, переход от твёрдого тела с его зонной структурой к обособленным электронным уровням, ограничение длины свободного пробега носителей из-за влияния кластерной поверхности приводят к изменениям правил отбора мод и вызывают к жизни новые оптические переходы. Изменяется энергии переходов, время флюоресценции и люминесценции, увеличивается силы осцилляторов.
  2. Матрица и вещество в котором находятся кластеры. Наноматериалы являются основой для создания светоперестраиваемых диодов и лазеров, у которых можно изменять длину волны. Создание определенного порядка из нанокластреов дает возможность получить фотонные кристаллы, обладающие постоянной решеткой, размер которой сравним с длиной световой волны.
  3. Оптические свойства наночастиц полупроводниковых элементов и самих материалов существенно отличаются. Оптические спектры поглощения, при уменьшении частицы, претерпевают сдвиг в голубую сторону (сторона уменьшения длины волны). Фотоны, имеющие энергию равную и больше, чем ширина запрещенной зоны полупроводника, способны создавать электронно-дырочные пары. Электрон и дырка перемещаются независимо друг от друга. В некоторых случаях возникают экситоны. Они не влияют на проводимость электричества. Появление экситонов происходит легче в квантовых ямах, поскольку нахождение в ограниченных областях усиливает эффект перекрытия волновых функций электронов и дырок.

Замечание 1

Экситоны – электрически нейтральные частицы, которые образованы электроном и дыркой в полупроводнике благодаря взаимодействию зарядов противоположного знака.

Наночастицы обладают некоторыми особенностями при поглощении и рассеивании света. Данные особенности проявляются в экспериментах с большим количеством наночастиц. Так, при поглощении света в тонкозернистых пленках металлов в видимой части спектра возникают пики поглощения, которых нет в массе металла.

Наноплазмоника

Оптика внутриволновой зоны излучения (или наноплазмоника), основывается на физических механизмах возбуждения поверхностных плазмонов (ПП) в металлах при их облучении импульсами видимого света.

Определение 2

Поверхностными плазмонами называют связанные колебания электромагнитного поля и электронов проводимости, которые распространяются по поверхности проводника (вдоль нее).

Иногда ПП интерпретируют как электромагнитные волны, которые захватила поверхность металла в результате взаимодействия электронами проводимости. При этом взаимодействии свободные электроны совместно реагируют на силовое действие поля и их осцилляции приходят в резонанс с волной света.

Гибридность поверхностного плазмона отражена в иное его наименовании: плазмон-полярон. В этом случае плазмон относят к колебаниям заряда на поверхности проводника, а полярон относят к электромагнитному полю в диэлектрике.

Волновой вектор в проекции на ось $X$ (направление его распространения) можно записать как:

$k_{x}=\frac{\omega }{c}\sqrt \frac{\varepsilon_{1}\varepsilon_{2}}{\varepsilon_{1}+\varepsilon_{2}} \left( 1 \right)$,

где$ ε_1$; $ε_2$ – диэлектрические проницаемости диэлектрика и проводника.

Эксперименты выявили принципиальные изменения при прохождении света сквозь наноотверстия в металлах, которые указывают на резкое увеличение (в сравнении с обычной оптикой) коэффициентов прохождения сигнала света и его усиление.

Кроме этого, наноструктурирование веществ около нанощелей и применение наноотверстий ведут к изменению спектра и направления излучения.

Так, данные материалы принципиальным образом изменяют наши представления о прохождении света сквозь вещество.

Физическим основанием для изменений в транспортных свойствах материалов с наноструктурой служит возбуждение волной света поверхностных плазмонов в проводнике. Эти плазмоны могут распространиться, на гораздо большие по глубине, расстояния в сравнении со световой волной.

Интерференция излучения на передней и задней поверхностях наноструктур дает возможность получить изменение проходимости и состава спектра в большом диапазоне.

Открытые свойства транспорта импульсов света сквозь наноструктуры дает новые возможности использования их для создания скоростных фотодетекторов и систем телекоммуникаций.

Особым интересом пользуется применение нанопор с целью детекции и расшифровки соединений молекул. Данные возможности основываются на резком уменьшении исследуемого объема в сравнении с объемами «классического» детектирования.

Нанооптика открывает возможности декодирования сложных соединений молекул, включая структуру биомолекул.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/fotonika/nanofotonika/

Нанофотоника и оптика

Нанофотоника

Наши исследования и разработки в области нанофотоники и оптики нацелены на создание фотонных устройств с уникальными характеристиками или совершенно новыми функциональными возможностями.

В этих устройствах эффекты концентрации и управления полями, обусловленные новыми оптическими явлениями, реализуют механизмы управления взаимодействием света с веществом.

Это открывает перспективные горизонты научно-практических разработок широкого спектра фотонных устройств от ультрапроизводительных вычислений, защищенных средств связи, управляемых материалов и высоко эффективных солнечных батарей, до персональных средств индивидуального мониторинга в реальном времени показателей жизнедеятельности человека, способных детектировать ультрамалые концентрации и химический состав биологических объектов.

В ФМН мы разрабатываем и используем КМОП-совместимые микро и нанотехнологии для создания инновационных подходов и методологий управления светом и оптической детекции на микро и наноуровне.

Для реализации этих подходов, наряду с классическими микротехнологиями мы разрабатываем новые оптоэлектромеханические, магнитооптические и оптофлюидные методы управления электромагнитными волнами, взаимодействия света с веществом и наноструктурами, контроля малых перемещений и ускорений.

Мы применяем эти возможности и новейшие разработки для создания уникальных интегрированных систем в области:

  • элементной базы на новых физических принципах (малоразмерные источники когерентного излучения, высокоскоростные оптоэлектронные преобразователи и др.);
  • систем высокоскоростной передачи данных;
  • интегральной оптики;
  • дифракционных и голографических оптических систем;
  • адаптивных оптических систем;
  • инерциальных, температурных и акустических сенсоров;
  • однофотонных детекторов;
  • интегрируемых оптических сенсоров биологических объектов для микрофлюидных лабораторий-на-чипе.

Наша команда использует сочетание теории, моделирования, технологии и эксперимента для внедрения практических разработок на базе уникальных свойств создаваемых наноструктур и наноматериалов.

Нанофотоника изучает «поведение» света в нанометровых масштабах и взаимодействие света с нанометровыми объектами, и, помимо классических диэлектрических устройств, обычно включает металлические компоненты, которые позволяют передавать и фокусировать свет.

Данную область нанофотоники обычно называют плазмоникой.

В плазмонных устройствах используются электромагнитные осцилляции (волны), известные как поверхностные плазмон поляритоны (или поверхностные плазмоны, ПП), которые распространяются на границе металл-диэлектрик при возбуждении внешним источником света.

Плазмонные оптические явления активно исследуются последние годы благодаря их свойству фокусировать свет и усиливать оптические поля вблизи прецизионно спроектированных и изготовленных нанообъектов.

Это дает возможность искать принципиально новые технические решения, которые могут позволить объединить в одном устройстве высокую производительность и ультравысокую степень интеграции, характерные для фотоники и микроэлектроники соответственно.

Посредством специальных наноструктур эти поверхностные волны могут быть сконцентрированы в нанометровых масштабах (менее длины волны), позволяя, например, существенно усилить взаимодействие света с веществом на поверхности или интегрировать фотонные и электронные элементы в одном устройстве с нанометровыми размерами. Наши исследования в области плазмоники направлены на выявление физических принципов взаимодействия света с наноструктурами, развитие технологии формирования плазмонных структур и методов управления поверхностными плазмонами для создания нового класса оптоэлектронных устройств.

Широкому практическому применению плазмонных устройств препятствует ряд физических и технологических ограничений.

Основным физическим ограничением являются большие омические потери в металлах, которые приводят к стремительному затуханию поверхностных плазмонов, что губительно сказывается на работоспособности плазмонных устройств.

Для снижения потерь в пассивных плазмонных системах в ФМН мы разрабатываем новые материалы и конструкции устройств, а также технологические методы формирования структурно совершенных материалов (эпитаксиальные плёнок толщиной менее 50нм с шероховатостью поверхности менее 1нм) и структур на их основе. В активных плазмонных системах – технологии компенсации потерь посредством введения усиливающих сред (квантовые точки, красители), которые обеспечивают «энергетическую подпитку» поверхностных плазмонов на пути их распространения.

Основным технологическим ограничением является воспроизводимая технология формирования суб-100нм топологических элементов, зачатую (для практических применений) на больших площадях, что радикально усложняет реализацию из-за высоких требований к допускам на изготовление плазмонных структур.

Дополнительным негативным фактором (при использовании стандартной технологии изготовления многослойных полупроводниковых устройств «снизу-вверх») является возможная деградация структурно-совершенных материалов (уже созданных на первых этапах изготовления) при проведении технологических процессов формирования конструкции устройств (литография, травление и т.п.). В ФМН разработан ряд базовых технологических процессов, совместимых с технологиями массового изготовления (электронно-лучевая литография, плазмохимическое травление и т.п.), которые позволяют создавать устройства с суб-100нм топологическими элементами и площадью стандартного кристалла современного процессора. При изготовлении таких устройств обеспечиваются нанометровые допуска на размеры плазмонных элементов.

В области плазмоники основными направлениями исследований и разработок в ФМН являются плазмонные волноводы и системы высокоскоростной передачи данных на их основе, высокоскоростные оптоэлектронные преобразователи, плазмонные источники когерентного света и плазмонные сенсоры.

Особый интерес для нас представляют интегральные фотонно-плазмонные системы, в которых уникальные характеристики фотонных приборов достигаются посредством их изготовления в едином технологическом цикле с плазмонными элементами, обеспечивая прецизионную точность их взаимодействия.

Плазмонные волноводы с элементами ввода-вывода сигнала могут быть использованы в высоконагруженных вычислительных системах в качестве промежуточного звена между оптическими линиями передачи информации (оптоволоконные кабели) и вычислительным ядром (интегральные схемы процессоров), ускорения межпроцессорной передачи информации в системах-в-корпусе, а также внутрипроцессорной передачи данных. В зависимости от назначения и требуемой дальности передачи (от нескольких микрон до нескольких миллиметров) могут быть использованы как пассивные, так и активные плазмонные волноводы.

Применение плазмонных волноводов может позволить значительно уменьшить размеры фотонной части схем, которые имеют дифракционные ограничения, и существенно сократить потребление энергии активных компонент.

ФМН ведет разработку технологических процессов изготовления плазмонных волноводов различных конструкций, систем ввода-вывода излучения, коммутационных элементов, а также системы высокоскоростной передачи данных на их основе.

Для создания плазмонных источников когерентного света или спазеров (spaser), т.н. плазмонных аналогов лазеров, мы исследуем различные типы резонаторных наноструктур, изготавливаемых на площадях в сотни микрон с точностью в единицы нанометров.

В зависимости от конструкции подобные резонаторные наноструктуры могут привести нас к разработке универсальных наноразмерных источников фотонов, плазмонов или электромагнитных полей. Помимо практических приложений исследование спазерных структур может позволить понять и объяснить фундаментальные физические основы и ограничения оптики нанометровых масштабов.

Для формирования устройств нанофотоники в ФМН мы применяем передовые КМОП-совместимые микро и нанотехнологии, предлагая и разрабатывая новые подходы с использованием самого современного технологического и метрологического оборудования.

Одним из ключевых элементов технологии в ФМН является нанолитография в сочетании с технологическими процессами изготовления устройств нанофотоники полного цикла.

Принимая колоссальное ускорение темпа современных разработок, сложность экспериментальных работ и актуальную необходимость уменьшения размеров устройств нанофотоники, мы непрерывно совершенствуем технологические процессы электронно-лучевой литографии НОЦ ФМН для обеспечения возможности изготовления завтрашних суб-10нм устройств уже сегодня.

Источник: http://fmn.bmstu.ru/research/directions/Nanophotonics/

Нанофотонный переворот. Молодая наука может кардинально изменить нашу жизнь | Технологии

Нанофотоника

Настоящий переворот произошел в 60-е годы XX века с появлением первых лазеров. Буквально за 10 лет выяснилось, что возможности оптики гораздо шире, чем считалось ранее. Мировое научное сообщество было настолько впечатлено новыми возможностями, которые может дать свет, что выделило их в отдельную область — фотонику.

Результатами этого фотонного переворота мы пользуемся ежедневно уже почти полвека: это интернет, кузова автомобилей и фюзеляжи самолетов сваренные лазером, DVD и Blu-Ray диски, лазерные принтеры, дальномеры, прицелы и системы наведения, сверхточные гироскопы, лазерная коррекция зрения и хирургия, лазерные пушки, а еще много других менее заметных вещей, которые окружают нас каждый день. Сегодня мы становимся свидетелями второго — нанофотонного — переворота в оптике, результаты которого могут стать не менее впечатляющими, чем первого. Еще рано говорить о всех возможных последствиях, подобно тому, как в 1960 году никто не подозревал, насколько большой эффект будет иметь создание лазера, но совершенно достоверно можно сказать, что нанофотонные технологии уже начинают входить в нашу жизнь незаметно для нас.

К началу 2000-х годов стремительный прогресс в производственных технологиях, прежде всего электроники, открыл возможность создавать структуры с характерными размерами в несколько десятков или даже единиц нанометров.

Это величины в десятки и сотни раз меньшие, чем длина волны видимого света (400-650 нанометров). Они находятся за так называемым дифракционным пределом, дальше (ниже) которого размеры, казалось бы, уже не должны оказывать существенного влияния на оптический свойства.

Однако вскоре выяснилось, что это не так.

Исследования в данном направлении, которые в XX веке были просто невозможны ввиду неспособности работать на таких масштабах, показали, что миниатюризация фотонных устройств открывает путь к новым эффектам и концептуально новым устройствам, которые были невозможны ранее и которые имеют ряд преимуществ перед аналогами, работающими на основе других физических принципов.

Оптоэлектронные микропроцессоры

Эти открытия сразу же заинтересовали индустрию. Так, например, компания IBM, которая стояла у истоков создания первых полупроводниковых лазеров, но к 2000-м распродала абсолютно все свои оптические подразделения, запустила крупный проект по кремниевой нанофотонике.

Его целью является замена части привычных электронных компонентов, отвечающих за передачу данных внутри процессора, на фотонные, что позволит увеличить пропускную способность каждого соединения вплоть до 10000 раз, а это, в свою очередь, приведет к созданию высокопроизводительных процессоров с несколькими тысячами ядер на одном кристалле.

При этом производительность будет расти почти линейно с ростом числа ядер. Помимо IBM над этой задачей активно работают основные игроки на рынке суперкомпьютеров и высокопроизводительных серверов — HP и Oracle, — а также другие гиганты в области полупроводниковой индустрии.

Первые серверные процессоры использующие нанофотонные технологии и насчитывающие несколько сотен ядер общего назначения мы должны увидеть на рынке уже в ближайшие 2-3 года.

Кроме крупных индустриальных компаний в создании новых нанофотонных технологий активно участвуют стартапы в США и Европе. Им удается привлекать десятки миллионов долларов, несмотря на то, что они не производят материального продукта и не пишут компьютерные программы.

Это не смущает инвесторов, так как они уверены в том, что в перспективе 10 лет прибыль может на порядки превзойти вложения. Главным продуктом в данном случае являются новые технологии как таковые — по своей сути рецепты создания новых, не имеющих себе равных устройств, зафиксированные в патентах.

Разработка таких ‘рецептов’ требует больших затрат на оборудование и материалы, поэтому центры создания технологий будущего находятся главным образом в университетах. Значительную часть расходов при этом неявно берут на себя государства, финансируя исследования через различные фонды.

Однако, для трансфера результатов этих исследований в индустрию усилий одних только университетов не достаточно. Обычно это происходит или путем создания стартапа на основе группы исследователей из одного или нескольких университетов, или индустриальная компания начинает свои собственные разработки на основе тех фундаментальных знаний, которые получены в университете.

Есть еще третий путь, который позволяет наиболее быстро достичь результата. Индустриальная компания входит в тесное взаимодействие с лабораторией в университете и целенаправленно финансирует интересные ей исследования.

Это позволяет компании удешевить разработку за счет того, что используется университетское оборудование, и ускорить ее, так как над проектом работают высококвалифицированные исследователи. При этом в проекте удается задействовать и тех людей, которые могли не согласиться работать в компании по ряду своих причин. Именно такой подход позволил Seagate получить ряд патентов и выйти в лидеры среди производителей жестких дисков.

Нанофотонные магнитные жесткие диски

Это очень удивительная история, еще 20 лет назад никто не мог себе представить, что фотоника может конкурировать с другими технологиями, когда речь заходит о миниатюризации. Но оказалось, что при помощи металлических наноструктур свет можно сконцентрировать в пятно размером около 70 нанометров.

Это в 12 раз меньше, чем длина волны используемого при этом лазера и в 6 раз меньше, чем может дать идеальная оптическая линза. Таким образом, можно создать нанофотонную записывающую головку для магнитного жесткого диска.

Процесс записи при этом максимально прост и основан на процессах нагревания за счет поглощения света и охлаждения. Это открывает путь к созданию жестких дисков с более высокой плотностью информации, которые, к тому же, будут еще и быстрее работать, а их габариты будут меньше.

Мы могли бы увидеть такие устройства, которые внешне, конечно, не отличишь от обычных жестких дисков, разве что по маркировке, уже совсем скоро.

Однако сейчас спрос пользователей пока удовлетворяется старыми технологиями, а в условиях глобальной рыночной экономики не стоит ожидать выход на потребительский рынок новых технологий, которые нужно еще внедрить, до тех пор, пока старые приносят стабильную прибыль.

Солнечный батареи

Не нужно, однако, думать, что новые нанофотонные технологи обязательно очень дороги. При определенных обстоятельствах их априори высокая стоимость, за счет необходимости наноструктурирования, в конечном счете может уменьшить цену устройства.

Задача эквивалентна вопросу, что лучше 3 стандартные фермы по производству молока или одна нестандартная ферма, которая в 3 раз дороже, но дает на выходе молока в 5 раз больше. Сегодня стандартные фотоэлектрические преобразователи делаются на основе монокристаллического кремния.

Чтобы удешевить солнечную энергетику и ставить солнечные батареи на все крыши домов, нужно или удешевить материал (например, использовать аморфный кремний), но тогда падает эффективность и такого материала требуется больше, или, наоборот, увеличить эффективность, пусть и ценой использования более дорого материала, но при этом можно выиграть за счет уменьшения количества этого материала. Именно над этим сейчас бьются ученые при разработке солнечных батарей. В развитых странах на эти исследования ежегодно выделяются десятки миллиардов долларов. Зачастую дизайн предлагаемых нанофотонных фотоэлектрических преобразователей настолько сложен, что сразу можно сделать вывод об их коммерческой неэффективности. Однако, иногда такие выводы не столь очевидны. Например, вырастив лес из тонких полупроводниковых нанонитей можно использовать в 100 раз меньше кремния при той же эффективности, и подобная технология вскоре может незаметно войти в нашу повседневную жизнь, ведь на вид это будет все та же черно-фиолетовая пластина.

Матрицы: перезагрузка

С помощью наноструктурирования можно создавать новые поверхности с одной стороны аналогичные уже существующим, с другой — с новыми свойствами, отличными от свойств объемных и слоистых материалов. Представим ковш и сделанное из этого ковша решето.

С одной стороны в решете можно носить, например, килограмм яблоки, но вот набрать в него литр воды, как в ковш, уже не получится. С наноструктурированными поверхностями дело обстоит подобным образом, только эффект более тонкий и интересный.

Создав из сверхтонкой металлической пленки структуру с характерными размерами много меньше длины волны света (например, проделав наноразмерные дырки в пленке), можно заставить ее фильтровать оптическое излучение. Получается что-то вроде инстаграм-фильтра.

Если на квадратной полупроводниковой площадке размером в несколько микрон разместить 4 квадрата из металла, два из который пропускают только зеленый свет, один — синий, и один — красный, то получится пиксель матрицы цифровой фотокамеры.

Процесс производства крайне прост и дешев — нужно все лишь нанести тонкую металлическую пленку толщиной несколько десятков нанометров и сделать в ней на каждом участке свои дырки. Каждый участок будет пропускать свой цвет, хотя пленка без дырок все цвета полностью отражает.

Сейчас же для достижений той же цели каждую площадку, размер которой в самых современных матрицах меньшей одного микрометра, покрывают относительно толстым слой органического соединений с красителем, причем для каждой площадки нужно свое вещество. Таким образом, простая в изготовлении нанофотонная поверхность может значительно упростить и удешевить производство фотоаппаратов, видеокамер и смартфонов.

«Оптическая микроволновка» и лечение рака

Нанофотоника может нести прямую коммерческую выгоду, но в первую очередь, это, безусловно, новые возможности. Вероятно через несколько лет химио- и радиотерапия может превратиться в крайнюю меру лечения рака, и медики будут использовать ‘оптическую микроволновку’.

Если ввести в организм вблизи опухоли или непосредственно в саму опухоль золотые наночастицы и светить в область опухоли лазером, то лазер не будет оказывать влияние на здоровые ткани, в то время как наночастицы будут сильно поглощать свет и нагреваться. Подобно тому как микроволновка нагревает молекулы воды, лазер нагревает наночастицы.

Самое главное, что это можно делать локально, не воздействуя на соседние ткани, где нет наночастиц. Такой метод позволяет поднять температуру настолько, чтобы убить опухоль, и сегодня исследования уже добрались до стадии клинических испытаний. Это становится возможным благодаря нанофотонным эффектам. Энергия электромагнитной волны, т.е.

света, «собирается» с достаточно большого объема вблизи наночастицы и это дает возможность нагревать значительный объем при помощи относительно небольшого количества наночастиц.

Обнаружение одиночных молекул

Локализация света в фотонных наноструктурах дает возможность усилить взаимодействие света с веществом. Это свойство напоминает принцип работы больших антенн — собирать энергию с большого пространства и сконцентрировать ее в малом. Используя нанофотонные антенны, можно добиться интересных результатов — усиления отклика при взаимодействии с очень маленькими объемам вещества.

Чувствительность устройства в этом случае настолько велика, что позволяет регистрировать даже одиночные молекулы. Сегодня на данном принципе уже разрабатываются наноразмерные детекторы газов.

Вообще, нанофотонный подход позволяет создавать различные типы сенсоров под разные задачи вплоть до диагностики заболеваний по одиночным молекулам белков, содержащихся в выдыхаемом нами воздухе.

Сложно перечислить все предлагаемые сегодня концепты и устройства на принципах нанофотоники. Еще сложнее сказать, где и как именно нанофотоника кардинально изменит нашу жизнь через 10 или 20 лет, но в научном сообществе есть вера в то, что это обязательно должно произойти. При этом, стоит отметить, что Россия в научном отношении не является заметно отсталой страной.

В МФТИ, ИТМО и МГУ есть лаборатории — точки роста — возникшие в последние 5-10 лет практически на ровном месте. Они на 99% состоят из молодые исследователей и студентов, которые постоянно предлагают новые идеи и концепты, будь то электрические плазмонные нанолазеры, кремниевые оптические наноантенны или медная нанофотоника.

Однако пока мы не видим интереса в трансфере этих идей в индустрию ни со стороны государственных компаний, ни со стороны частного бизнеса. Отсутствие как минимум среднесрочных инвестиций, на 5-10 лет, и практической востребованности вновь толкает ученых к поиску мест, где они могли бы реализовать свои идеи и амбиции.

Будет очень обидно, если Россия в очередной раз станет лишь потребителем нанофотнных технологий.

Источник: https://www.forbes.ru/tehnologii/335095-nanofotonnyy-perevorot-molodaya-nauka-mozhet-kardinalno-izmenit-nashu-zhizn

НАНОФОТО́НИКА

Нанофотоника

Авторы: А. В. Шипулин

НАНОФОТО́НИКА (на­но­оп­ти­ка), раз­дел оп­ти­ки, в ко­то­ром изу­ча­ют­ся яв­ле­ния, воз­ни­каю­щие при взаи­мо­дей­ст­вии оп­тич. из­лу­че­ния с объ­ек­та­ми раз­ме­ром от со­тен до еди­ниц на­но­мет­ров, т. е.

су­ще­ст­вен­но мень­шим дли­ны вол­ны оп­тич. из­лу­че­ния (300–800 нм). Ино­гда к Н. от­но­сят так­же яв­ле­ния, воз­ни­каю­щие при взаи­мо­дей­ст­вии элек­тро­маг­нит­ных волн с пе­рио­дич.

струк­ту­ра­ми, пе­ри­од ко­то­рых лишь не­мно­го мень­ше дли­ны вол­ны, – фо­тон­ны­ми кри­стал­ла­ми.

На­но­объ­ек­ты раз­де­ля­ют на ес­те­ст­вен­ные (ато­мы, мо­ле­ку­лы) и ис­кус­ст­вен­ные, по­лу­чен­ные из ес­теств. ма­те­риа­лов в ре­зуль­та­те тех­но­ло­гич. про­цес­сов. Взаи­мо­дей­ст­вие из­лу­че­ния с ато­ма­ми и мо­ле­ку­ла­ми, хо­тя и по­па­да­ет в класс Н., од­на­ко не яв­ля­ет­ся чем-то прин­ци­пи­аль­но но­вым.

Ис­кусств. на­но­объ­ек­ты мо­гут быть из­го­тов­ле­ны дву­мя прин­ци­пи­аль­но разл. спо­со­ба­ми: ис­кусств. струк­ту­ри­ро­ва­ни­ем (напр., пу­тём элек­трон­но-лу­че­вой ли­то­гра­фии) ли­бо в ре­зуль­та­те про­цес­сов са­мо­ор­га­ни­за­ции, ко­гда на­но­объ­ек­ты, взаи­мо­дей­ст­вуя друг с дру­гом, са­ми вы­страива­ют­ся в струк­ту­ры.

Ре­зуль­та­том на­но­струк­ту­ри­ро­ва­ния яв­ля­ют­ся ме­тал­лич. на­но­объ­ек­ты на ди­элек­трич. под­лож­ке. Про­цес­сы са­мо­ор­га­ни­за­ции от­вет­ст­вен­ны, напр., за рост по­лу­про­вод­ни­ко­вых кри­стал­лов в фор­ме кван­то­вых то­чек, ис­поль­зуе­мых в ка­че­ст­ве ак­тив­ных мо­ле­кул для кван­то­вых уси­ли­те­лей и ла­зе­ров (см.

Ла­зер на кван­то­вых точ­ках), за соз­да­ние на­нот­ру­бок, об­ла­даю­щих пер­спек­тив­ны­ми оп­тич. и элек­трич. свой­ст­ва­ми, а так­же гра­фе­на, при­ме­не­ние ко­то­ро­го в мик­ро­элек­тро­ни­ке мо­жет ка­че­ст­вен­но улуч­шить свой­ст­ва ком­по­нен­тов. На­но­объ­ек­ты мо­гут фор­ми­ро­вать­ся в ре­зуль­та­те хи­мич. ре­ак­ций, мо­ди­фи­ка­ции к.-л.

спо­со­бом био­мо­ле­кул, что так­же мож­но от­не­сти к са­мо­ор­га­ни­за­ции.

Взаи­мо­дей­ст­вие клас­сич. на­но­объ­ек­тов (ди­элек­три­ков и ме­тал­лов, для опи­са­ния фи­зич. про­цес­сов в ко­то­рых нет не­об­хо­ди­мо­сти ис­поль­зо­вать по­ня­тия кван­то­вой фи­зи­ки) но­сит ре­зо­нанс­ный ха­рак­тер. В слу­чае ре­зо­нан­са воз­бу­ж­да­ет­ся собств.

мо­да ко­ле­ба­ний, свой­ст­ва ко­то­рой за­ви­сят от ма­те­риа­ла, из ко­то­ро­го со­сто­ит на­но­объ­ект. Для ди­элек­три­ка свой­ст­ва собств. мо­ды обу­слов­ле­ны свя­зан­ны­ми, а для ме­тал­ла – сво­бод­ны­ми элек­тро­на­ми.

Ре­зо­нанс­ные ко­ле­ба­ния во мно­го раз уве­ли­чи­ва­ют эф­фек­тив­ность взаи­мо­дей­ст­вия на­но­объ­ек­тов.

Свой­ст­ва кван­то­вых на­но­объ­ек­тов опи­сы­ва­ют с по­мо­щью кван­то­вых пред­став­ле­ний о взаи­мо­дей­ст­вии с внеш­ни­ми по­ля­ми, ко­то­рое при­во­дит к по­гло­ще­нию или ис­пус­ка­нию фо­то­нов.

Важ­ным свой­ст­вом кван­то­вых на­но­объ­ек­тов (напр., кван­то­вых то­чек) яв­ля­ет­ся за­ви­си­мость внутр.

струк­ту­ры кван­то­вых уров­ней от раз­ме­ра на­но­объ­ек­та, что по­зво­ля­ет мо­ди­фи­ци­ро­вать эту струк­ту­ру и по­лу­чать на­но­объ­ек­ты, ре­зо­нанс­ные на за­дан­ной дли­не вол­ны.

Ре­зо­нанс­но воз­бу­ж­дён­ные на­но­объ­ек­ты мо­гут взаи­мо­дей­ст­во­вать не толь­ко с по­ля­ми, но и с др. на­но­объ­ек­та­ми, как ес­те­ст­вен­ны­ми, так и ис­кус­ст­вен­ны­ми.

Си­ла та­ко­го взаи­мо­дей­ст­вия мно­го­крат­но воз­рас­та­ет, ес­ли оба объ­ек­та об­ла­да­ют оди­на­ко­вы­ми ре­зо­нанс­ны­ми час­то­та­ми. Та­кие ре­зо­нанс­ные взаи­мо­дей­ст­вия ис­сле­до­ва­ны для ком­би­на­ций струк­тур разл. при­ро­ды: ме­тал­лич.

на­но­объ­ек­тов, на­нот­ру­бок, кван­то­вых то­чек, по­ли­мер­ных и био­мо­ле­кул. Изу­че­ние взаи­мо­дей­ст­вий на­но­объ­ек­тов с био­мо­ле­ку­ла­ми от­кры­ва­ет воз­мож­но­сти для прин­ци­пи­аль­но но­вых ме­то­дов био­ме­ди­цин­ской ди­аг­но­сти­ки и ле­че­ния.

Взаи­мо­дей­ст­вие кван­то­вых то­чек с ме­тал­лич. на­но­объ­ек­том при­ве­ло к соз­да­нию на­но­ла­зе­ра.

Воз­мож­но­сти Н. ис­поль­зу­ют при раз­ра­бот­ке но­во­го по­ко­ле­ния ми­ниа­тюр­ных уст­ройств для управ­ле­ния по­то­ка­ми све­то­вой энер­гии – по­лос­ко­вых вол­но­во­дов, час­тот­ных фильт­ров, на­но­кон­ту­ров элек­тро­маг­нит­ной свя­зи.

В ос­но­ву та­ких уст­ройств по­ло­же­на ми­ниа­тю­ри­за­ция прин­ци­пи­аль­но схо­жих схем ра­дио­тех­ни­ки сан­ти­мет­ро­во­го и де­ци­мет­ро­во­го диа­па­зо­нов длин волн. Из­го­тов­ле­ние та­ких ми­ниа­тюр­ных уст­ройств в оп­тич.

диа­па­зо­не ста­ло воз­мож­ным бла­го­да­ря ус­пе­хам на­но­тех­но­ло­гии в на­пы­ле­нии тон­ких ме­тал­лич. и ди­элек­трич. плё­нок кон­тро­ли­руе­мой тол­щи­ны на ди­элек­трич. под­лож­ки. Напр., по­лос­ко­вый вол­но­вод, соз­дан­ный на ос­но­ве на­пы­лён­ной плён­ки, мо­жет иметь тол­щи­ну по­ряд­ка 40–50 нм. Др.

важ­ное при­ме­не­ние ме­тал­лич. плё­нок в Н. свя­за­но с соз­да­ни­ем пе­рио­дич. струк­тур вдоль их по­верх­но­сти; напр., на фоль­ге мож­но фор­ми­ро­вать ре­шёт­ки рав­но­от­стоя­щих от­вер­стий или вы­сту­пов с ха­рак­тер­ны­ми раз­ме­ра­ми по­ряд­ка 100 нм.

Ре­зо­нанс­ное взаи­мо­дей­ст­вие све­та с ко­ле­ба­ния­ми элек­тро­нов ме­тал­ла на кра­ях от­вер­стий при­во­дит к про­зрач­но­сти та­кой фоль­ги для уз­кой по­ло­сы час­тот, оп­ре­де­ляе­мой гео­мет­рией этой струк­ту­ры.

Ис­сле­до­ва­ния в области Н. пер­спек­тив­ны для соз­да­ния ма­те­риа­лов с от­ри­ца­тель­ным по­ка­за­те­лем пре­лом­ле­ния n, пред­ска­зан­ных В. Г. Ве­се­ла­го в 1967 (см. Ме­та­ма­те­риа­лы). Пер­вые об­раз­цы та­ко­го ма­те­риа­ла по­лу­че­ны экс­пе­ри­мен­таль­но в оп­тич. диа­па­зо­не В. М. Ша­лае­вым с со­труд­ни­ка­ми в 2005.

В от­личие от обыч­но­го за­ко­на пре­лом­ле­ния све­та на гра­ни­це двух сред, луч све­та, па­даю­щий из воз­ду­ха на гра­ни­цу сре­ды с от­ри­цат. зна­че­ни­ем n, от­кло­ня­ет­ся в сто­ро­ну, об­рат­ную на­прав­ле­нию сво­его дви­же­ния. Рас­хо­дя­щий­ся пу­чок лу­чей, пре­лом­ля­ясь на гра­ни­це та­кой сре­ды, мо­жет пре­вра­тить­ся в схо­дя­щий­ся, фор­ми­руя т. н.

су­пер­лин­зу, по­зво­ляю­щую при оп­ре­де­лён­ных ус­ло­ви­ях рас­смот­реть объ­ек­ты мень­ших раз­ме­ров, чем воз­мож­но с по­мо­щью обыч­ной стек­лян­ной лин­зы. Сре­ды с от­ри­цат. по­ка­за­те­лем пре­лом­ле­ния от­кры­ва­ют пер­спек­ти­ву соз­да­ния т. н.

обо­лоч­ки не­ви­ди­мо­сти, ко­гда лу­чи, па­даю­щие от внеш­не­го ис­точ­ни­ка, не от­ра­жа­ют­ся от объ­ек­та, а оги­ба­ют его, рас­про­стра­ня­ясь даль­ше без от­ра­же­ния и рас­сея­ния.

Тео­ре­тич. ис­сле­до­ва­ния в об­лас­ти Н. вклю­ча­ют в се­бя чис­лен­ное мо­де­ли­ро­ва­ние и разл. ана­ли­тич. мо­де­ли, ко­то­рые обыч­но но­сят оце­ноч­ный ха­рак­тер. Для экс­пе­рим. ис­сле­до­ва­ний в Н.

ис­поль­зу­ют­ся прак­ти­че­ски все имею­щие­ся в оп­ти­ке ме­то­ды: спек­тро­ско­пи­че­ские, вре­мен­ны́е, а так­же ме­то­ды оп­тич. и элек­трон­ной мик­ро­ско­пии. Раз­ви­тие но­вых экс­пе­рим. ме­то­дов, та­ких как атом­но-си­ло­вая мик­ро­ско­пия и ска­ни­рую­щая мик­ро­ско­пия (см.

Тун­нель­ный мик­ро­скоп), так­же сти­му­ли­ро­ва­ло раз­ви­тие Н., по­зво­ляя по­лу­чать ин­фор­ма­цию о на­но­объ­ек­те с не­об­хо­ди­мым про­стран­ст­вен­ным раз­ре­ше­ни­ем.

Источник: https://bigenc.ru/physics/text/2248036

Booksm
Добавить комментарий