科学家宣布寻求高指数材料

由MIPT和ITMO大学的研究人员组成的物理学家团队对一系列材料进行了比较分析,以确定它们是否适用于介电纳米光子学。他们的系统研究产生的结果可以优化使用已知材料来构建光学纳米器件,并鼓励寻找具有优异性能的新材料。

为了发送,接收和处理电磁信号,使用天线。天线是能够有效地发射,拾取和重定向电磁辐射的设备。通常,人们认为天线是在无线电和微波范围内工作的宏观设备。但是,有类似的光学设备(图1)。可见光的波长达数百纳米。因此,光学天线必然是纳米尺寸的器件。光学纳米天线可以聚焦,引导和有效地传输光,具有广泛的应用,包括光学信道传输,光电探测,显微镜,生物医学技术,甚至加速化学反应。

为了使天线有效地拾取和发送信号,其元件需要谐振。在无线电波段中,这些元件是线。在光学范围内,具有等离子体共振的银和金纳米颗粒(图2a)长期以来一直用于此目的。这种颗粒中的电磁场可以以10纳米或更小的尺度定位,但是由于导电金属的焦耳加热,磁场的大部分能量被浪费。等离子体纳米粒子有一种替代品,在过去五年中已被广泛研究,即具有高折射率的介电材料粒子在可见光频率下,例如硅。当介电粒子的大小和光的波长恰好合适时,粒子支持特定类型的光学共振,称为Mie共振 (图2b)。由于电介质的材料特性与金属不同,因此可以通过用介电类似物代替等离子体纳米天线来显着降低电阻加热。

确定Mie共振参数的材料的关键特性是折射率。由具有高折射率的材料制成的颗粒具有以高品质因子为特征的共振。这意味着在这些材料中,电磁振荡持续时间更长,无需外部激励。此外,较高的折射率对应于较小的粒径,允许更多的微型光学装置。这些因素使得高折射率材料 - 即具有高折射率的材料 - 更适合于实施介电纳米天线。

在Optica发表的论文中,研究人员系统地研究了可用的高折射率材料在可见光和红外光谱范围内的共振。这种材料包括半导体和极性晶体,例如碳化硅。为了说明各种材料的行为,作者提出了相关的质量因子,这些因素表明入射光激发的振荡有多快就会消失。理论分析使研究人员能够将晶体硅识别为目前可用的最佳材料,用于实现在可见光范围内工作的介电天线,其中锗的性能优于红外波段的其他材料。在光谱的中红外部分,由于可能的应用,例如辐射冷却,即,特别感兴趣 通过以电磁波的形式将热量辐射到环境中来冷却加热体; 和热伪装 - 减少物体散发的热辐射,从而使红外相机看不见,锗和碲的化合物占据了基座

质量因素的价值存在根本性的限制。事实证明,半导体中的高折射率与电子的带间跃迁有关,这不可避免地需要吸收入射光携带的能量。这种吸收反过来导致质量因素和加热的减少,这正是研究人员试图摆脱的。因此,在高折射率和能量损失之间存在微妙的平衡。

“这项研究非常特别,因为它提供了最完整的高折射率材料图,显示了哪种材料最适合制造在此光谱范围内工作的纳米天线,并且因为它提供了对所涉及的制造工艺的分析,” Dmitry说。 Zuev,ITMO大学物理与工程系超材料实验室研究员。“这使研究人员能够选择材料以及所需的制造技术,同时考虑到他们的具体情况所要求的要求。这是一个强大的工具,可以进一步扩展各种介电纳米光子器件的设计和实验。“

根据制造技术的概述,硅,锗和砷化镓是纳米光子学中使用最彻底研究的高折射率电介质。有许多方法可用于制造基于这些材料的共振纳米天线,包括光刻,化学和激光辅助方法。然而,在一些材料的情况下,尚未开发出用于制造共振纳米颗粒的技术。例如,研究人员尚未提出用碲化锗制造纳米天线的方法,通过理论分析,碲化锗在中红外范围内的性质被认为是最具吸引力的。

“毫无疑问,硅是电介质纳米天线制造中使用最广泛的材料,” MIPT的博士生Denis Baranov说。“它价格实惠,基于硅的制造技术已经确立。此外,这很重要,它与CMOS技术兼容,这是半导体工程的行业标准。但硅不是唯一的选择。可能存在在光学范围内具有甚至更高折射率的其他材料。如果它们被发现,这对于介电纳米光子学来说意味着好消息。“

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