Fotonické nanostruktury (nanofotonika)

Základy nanotechnologií KEF/ZANAN

Fotonické nanostruktury (nanofotonika) Jan Soubusta 4.11. 2015

Obsah

1.

ÚVOD

2.

POHLED DO MIKROSVĚTA

3.

OD ELEKTRONIKY K FOTONICE

4.

FYZIKA PRO NANOFOTONIKU

5.

PERIODICKÉ KRYSTALY

6.

NANOFOTONIKA V PRAXI

Význam slova nanofotonika? Nano-fotonika studuje struktury s nanometrovými rozměry. Vědní obor, který: • je na rozhraní nanotechnologií a optiky • popisuje interakce světla s látkou na nanometrové škále

fyzika

chemie

nanofotonika nanomateriály

optika

Co je nanofotonika? (typické obrázky podle Wikipedie)

Obsah

1.

ÚVOD

2.


3.


4.


5.


6.



Jak se podívat na nanometrová objekty? okem

optický mikroskopem difrakční limit je λ/2

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 Pro obarvení skla těchto pohárů byly už ve 4. století použity nanokrystaly Au a Ag s typickým rozměrem 70 nm.

Toto barvení skla se používalo také ve vitrážích kostelů. Barevné sklo se připravovalo přidáním různých kovů do skla při jeho výrobě. Za barvu skla jsou zodpovědné plazmony.

Luminiscence kvantových teček Barva vyzařování je díky rozměrovému kvantování určená velikostí kvantových teček (CdS, CdSe, InAs, InP) .

Luminiscence uhlíkových kvantových teček

v roztoku

na papírku

Mikroskopie uhlíkových teček na papírku Mikroskop Olympus

2 µm

1µm Horizontální rozlišení optického konfokálního mikroskopu je pro modrý laser (400 nm) řádově 200 nm. Výškové rozlišení je řádově 10 nm

Obsah

1.

ÚVOD

2.


3.


4.


5.


6.



Nano-elektronika versus nano-fotonika ELEKTRONIKA tranzistory

FOTONIKA vláknová optika 1970

integrované obvody

planární vlnovody

1980 mikroprocesory

integrované optické obvody 2000 fotonické krystaly

32nm technologie zmenšování rozměrů a urychlování

Optická vlákna Optická vlákna se vyrábějí z oxidu křemíku Si02 Jednomódové vlákno – struktura 1. Core (jádro) 8 µm 2. Cladding (plášť) 125 µm 3. Buffer (ochranná vrstva) 250 µm 4. 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 různé signály (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

Synchronizace obvodů na procesorovém čipu je zajištěna laserovým svazkem rozvedeným ve vlnovodu k jednotlivým obvodům.

© Intel

Základní prvky pro nanofotonikou na čipu Laser s heterostrukturou GaAs/GaAlAs

Vlnovod

fotodetektor

Obsah

1.

ÚVOD

2.


3.


4.


5.


6.



Základní parametry nanosvěta Nanofotonika 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 délku Pro elektron můžeme spočítat vlnovou délku pomocí de Broglieova vztahu

Pro oba můžeme definovat vlnový vektor Protože elektron má mnohem kratší vlnovou 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 dlouhé a vlnový vektor je krátký. Energetická závislost je pro elektrony kvadratická, vlnové délky jsou krátké a vlnový vektor je delší.

Obsah

1.

ÚVOD

2.


3.


4.


5.


6.



Prostorové kvantování Prostorové omezení vede na kvatování spektra dovolených energií foton planární vlnovod

optické vlkno

mikroskopický optický rezonátor

elektron

2D

1D

0D

kvantová jáma

kvantový drát

kvantová tečka

Elektrony a fotony v krystalu Prostorové omezení pro elektrony je způsobeno coulombovským potenciálem, který vystupuje ve Schrödingerově rovnici. Různé potenciály dávají různá energetická spektra. krystal, perioda 0.2 nm

čárové atomární spektrum pásové spektrum krystalu

Prostorové omezení pro fotony je popsáno indexem lomu, který vystupuje ve vlnové rovnici. Různé profily indexu lomu dávají různá energetická spektra. fotonický krystal perioda 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 rozdělí na dovolené a zakázané pásy. NaCl

Fe FCC

Periodické struktury pro fotony Proto se začaly studovat materiály s periodickým rozložením indexu lomu s typickými rozměry 200 nm.

periodické v jedné ose

© http://www.physics.buffalo.edu

periodické ve dvou osách

periodické ve třech osách

© http://www.photonic-lattice.com

Obsah

1.

ÚVOD

2.


3.


4.


5.


6.



Fotonické krystaly Zatímco v pevnolátkových krystalech je krystalová struktura daná rovnovážným 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". Například fotonické krystaly s defekty mohou pracovat jako frekvenční filtry s velmi úzkým pásmem propustnosti. Pro některé interakce optických polí neexistují v přírodě vhodné materiály, fotonické krystaly toto mohou vyřešit. 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). typické tloušťky vrstev jsou 100 – 200 nm

Braggovská zrcadla

© http://lts.fzu.cz/cz/res-ps.htm

© http://www.thorlabs.de

2D fotonická vlákna

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. © http://www.physics.buffalo.edu

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 harmonické ve fotonickém vlákně. Např. červené světlo konvertuji namodré.

Aplikace fotonických krystalů směrování optického svazku

Optický spínač zelený svazek otvírá cestu pro červený svazek

© http://www.fysik-nano.fotonik.dtu.dk

• struktura s nulovým indexem lomu • solární články založené na grafenu

KONEC

Fotonické nanostruktury (nanofotonika)

Recommend Documents