fotonické nanostruktury nanofotonika)jointlab.upol.cz/~soubusta/prednasky/nanofoton3.pdf · •...
TRANSCRIPT
Základy nanotechnologií KEF/ZANAN
Fotonické nanostruktury(alias nanofotonika)
Jan Soubusta
4.11. 2016
Obsah
1. ÚVOD
2. POHLED DO MIKROSVĚTA
3. OD ELEKTRONIKY K FOTONICE
4. FYZIKA PRO NANOFOTONIKU
5. PERIODICKÉ KRYSTALY
6. NANOFOTONIKA V PRAXI
nanofotonika
Co je nanofotonika?
Nanofotonika je vědní obor, který:
• je na rozhraní nanotechnologií a optiky• popisuje interakce světla s látkou na nanometrové škále • studuje struktury s nanometrovými rozměry pomocí optiky
fyzika chemie
nanomateriálovéinženýrství
optika
Proč se rozvíjí nanofotonika?
• optoelectronika a mikroelectronika• solární články• spektroskopie• mikroskopie• plazmonika• optika blízkého pole• metatateriály
• Návrh funkční nanostruktury lze udělat na běžném počítači.• Jsou vyvinuty metody výroby nanostruktur.• Jsou dostupné přístroje pro charakterizaci nanostruktur.• Pro nanostruktury jsou výhodné aplikace.
Na toto téma se hodně píše
Typické obrázky
Obsah
1. ÚVOD
2. POHLED DO MIKROSVĚTA
3. OD ELEKTRONIKY K FOTONICE
4. FYZIKA PRO NANOFOTONIKU
5. PERIODICKÉ KRYSTALY
6. NANOFOTONIKA V PRAXI
POHLED DO MIKROSVĚTA
Jak se podívat na nanometrové objekty?
difrakční limit je λ/2
okem
optický mikroskopem
elektronovým mikroskopem
Můžeme vidět nanometrové objekty očima?ANO ALE ! Nevidíme vlastní strukturu, ale pouze její projevy.Barva motýlích křídel (Morpho) je způsobená fotonickými krystaly
– strukturou na škále stovek nanometrů.
© Tina R. Matin et al.
Barevná skla
Toto barvení skla se používalo takéve vitrážích kostelů. Barevné sklo se připravovalo přidáním různých kovůnebo oxidů kovů do skla při jeho výrobě (Mn, Se, Co, Cu, Ni)
Za barvu skla jsou zodpovědnéplazmony.
Luminiscence kvantových teček
Barva vyzařování je díky rozměrovému kvantování určená velikostíkvantových teček (CdS, CdSe, InAs, InP) .
Luminiscence uhlíkových kvantových teček
v roztoku
na papírku
Mikroskopie uhlíkových teček na papírku
Mikroskop Olympus
2 µm
Horizontální rozlišení optického konfokálního mikroskopu je pro modrý laser (400 nm) řádově 200 nm. Výškové rozlišení je řádově 10 nm
1µm
Obsah
1. ÚVOD
2. POHLED DO MIKROSVĚTA
3. OD ELEKTRONIKY K FOTONICE
4. FYZIKA PRO NANOFOTONIKU
5. PERIODICKÉ KRYSTALY
6. NANOFOTONIKA V PRAXI
OD ELEKTRONIKY K FOTONICE
Nano-elektronika versus nano-fotonika
ELEKTRONIKA FOTONIKAtranzistory
vláknová optika1970
integrované obvody planární vlnovody
1980
mikroprocesory integrované optickéobvody
2000fotonické krystaly
32nm technologie
zmenšování rozměrů a urychlování
Optická vlákna
Optická vlákna se vyrábějí z oxidu křemíku SiO2
Jednomódové vlákno – struktura1. Core (jádro) 8 µm2. Cladding (plášť) 125 µm3. Buffer (ochranná vrstva) 250 µm4. Jacket (obal) 400 µm
© http://cs.wikipedia.org
Proč se optická vlákna používají?
• Elektrické signály ve vodičích se vzájemně ruší a je potřeba stíněné kabely. Signály v optických vláknech se navzájem neovlivňují. Jedním vláknem se mohou současně šířit různésignály (na různých barvách).
• Optická vlákna s ochranným obalem jsou použitelná ve všech možných i extrémních podmínkách (kabely pod mořem).
• Větší šířka pásma umožňuje rychlejší přenos dat na velké vzdálenosti (internet po optickém vlákně).
Nano-elektronika společně s nano-fotonikou
© Intel
Synchronizace obvodůna procesorovém čipu je zajištěna laserovým svazkem rozvedeným ve vlnovodu k jednotlivýmobvodům.
Vlnovod
Laser s heterostrukturouGaAs/GaAlAs
Fotodetektor
Základní prvky pro nanofotonikou na čipu
Obsah
1. ÚVOD
2. POHLED DO MIKROSVĚTA
3. OD ELEKTRONIKY K FOTONICE
4. FYZIKA PRO NANOFOTONIKU
5. PERIODICKÉ KRYSTALY
6. NANOFOTONIKA V PRAXI
FYZIKA PRO NANOFOTONIKU
Základní parametry nanosvěta
Fyzika nanosvěta řeší interakci fotonů s elektrony v látce.
Elektrony i fotony• jsou elementární částice• projevují se u nich vlnové i částicové vlastnosti• z klasického pohledu jsou zcela odlišné• z pohledu kvantové mechaniky mají hodně společného
Hlavní dva rozdíly jsou:1. Elektrony jsou popsány skalární vlnovou funkcí,
kdežto fotony (světlo) je vektorové pole, které popisuje polarizaci.2. Elektrony přenášejí hmotu, elektrický náboj a spin,
světlo nemá náboj ani spin ale má polarizaci.
Co je společné?
Elektron má klidovou hmotnost
Pro foton můžeme spočítat hmotnost pomocí Einsteinova vztahu pro energii
Foton má vlnovou délkuPro elektron můžeme spočítat vlnovou délku pomocí de Broglieovavztahu
Pro oba můžeme definovat vlnový vektor
Protože elektron má mnohem kratšívlnovou délku platí
Základní rovnice pro fotony
Šíření světla (fotonů) popisuje vlnová rovnice,odvozuje se z Maxwellových rovnic.
Řešení ve volném prostoru je rovinná vlna
Energie jednoho kvanta (fotonu)
Základní rovnice pro elektrony
Chování elektronů popisuje Schrödingerova rovnice.
Řešení ve volném prostoru je rovinná vlna
Energie volného elektronu
Energie elektronu a fotonu ve volném prostoru
vlnový vektor je reálný a určuje prostorovou frekvenci
Energetická závislost je pro fotony lineární, vlnové délky jsou dlouhéa vlnový vektor je krátký.
Energetická závislost je pro elektrony kvadratická, vlnové délky jsou krátké a vlnový vektor je delší.
Obsah
1. ÚVOD
2. POHLED DO MIKROSVĚTA
3. OD ELEKTRONIKY K FOTONICE
4. FYZIKA PRO NANOFOTONIKU
5. PERIODICKÉ KRYSTALY
6. NANOFOTONIKA V PRAXI
PERIODICKÉ KRYSTALY
Prostorové kvantováníProstorové omezení vede na kvatování spektra dovolených energií
foton elektron
2D
1D
0D
kvantová jámaplanární vlnovod
optické vlkno
mikroskopickýoptickýrezonátor
kvantový drát
kvantová tečka
Elektrony a fotony v krystalu
Prostorové omezení pro elektrony je způsobeno coulombovskýmpotenciálem, který vystupuje ve Schrödingerově rovnici.Různé potenciály dávají různá energetická spektra.
Prostorové omezení pro fotony je popsáno indexem lomu, který vystupuje ve vlnové rovnici.Různé profily indexu lomu dávají různáenergetická spektra.
čárové atomární spektrum
pásové spektrum krystalu
krystal, perioda 0.2 nm
fotonický krystalperioda 200 nm
Periodické struktury pro elektrony
Výzkum periodických struktur začal studiem krystalických látek. Periodický potenciál s periodou řádově 0.2 nm způsobuje to, že energetické spektrum elektronů se rozdělína dovolené a zakázané pásy.
NaCl
Fe FCC
Periodické struktury pro fotony
Proto se začaly studovat materiály s periodickým rozložením indexu lomus typickými rozměry 200 nm.
© http://www.photonic-lattice.com
periodickév jedné ose
periodickéve dvou osách
periodickéve třech osách
© http://www.physics.buffalo.edu
Obsah
1. ÚVOD
2. POHLED DO MIKROSVĚTA
3. OD ELEKTRONIKY K FOTONICE
4. FYZIKA PRO NANOFOTONIKU
5. PERIODICKÉ KRYSTALY
6. NANOFOTONIKA V PRAXI
NANOFOTONIKA V PRAXI
Fotonické krystaly
Zatímco v pevnolátkových krystalech je krystalová struktura danárovnovážným uspořádáním atomů u fotonických krystalů vytváříme strukturu s periodou řádově 100 nm a máme tedy možnost si navrhnout strukturu, která bude mít vlastnosti které požadujeme.
Máme možnost připravit struktury s takřka neomezenou škálu optických vlastností"šitých na míru".
1. Fotonické krystaly s defekty mohou pracovat jako frekvenční filtry s velmi úzkým pásmem propustnosti.
2. Pro některé interakce optických polí neexistují v přírodě vhodnémateriály, fotonické krystaly toto mohou vyřešit.
3. Lze také navrhnout struktury jejichž optické vlastnostmi lze řídit vnějšími parametry jako jsou elektrické pole nebo teplota.
1D nanofotonické krystaly
Využití 1D struktur jako antireflexní vrstvy (minimální odrazivost)nebo reflexní vrstvy (zrcadlo s vysokou odrazivostí).
Braggovská zrcadla
typické tloušťky vrstevjsou 100 – 200 nm
© http://lts.fzu.cz/cz/res-ps.htm © http://www.thorlabs.de
2D fotonická vlákna
© http://www.physics.buffalo.edu
a) Bragg fiber, světlo je uzavřené braggovským zrcadlem ze soustředných válců.
b) Hollow Core fiber, světlo se drží ve středové dutině díky zakázanému pásu vlákna (minimální ztrty)
c) Solid Photonic fiber, světlo se drží v ose díky vyššímu indexu lomu. Díky lokalizaci pole mohou být zesíleny nelineární efekty (generace druhé harmonické).
Lze vyrobit fotonická vlákna s nulovou disperzí.nebo vlákna pro zesílení nelineárních procesů.
Nanofotonická vlákna
3D fotonické krystaly
© J.D. Williams et al., Journal of Micro/Nanolithography 2010
Aplikace fotonických krystalů
super-hranol - hranol s velkou úhlovou disperzí
generace druhé harmonickéve fotonickém vlákně.Např. červené světlo konvertujinamodré.
Aplikace fotonických krystalů
směrování optického svazku
Optický spínačzelený svazek otvírácestu pro červený svazek
© http://www.fysik-nano.fotonik.dtu.dk
• struktura s nulovým indexem lomu
• solární články založené na grafenu N. Phot. 4, 611 (2010).
N. Phot. 9, 738 (2015).
KONEC