Физики из Московского физико-технического института и Физического института им. П. Н. Лебедева РАН предложили новую конструкцию оптических антенн для нанофотонных устройств — на основе серебряных наночастиц и кадмиевых квантовых точек, которые испускают более яркое люминесцентное излучение и при этом обладают меньшим временем реакции. Кроме того, ученые предложили новый способ получения микроизображений антенн, позволяющий обойтись без использования метода «темного поля». Работа опубликована в журнале Nanotechnology, кратко о ней рассказала пресс-служба МФТИ.
Современная электроника основана на использовании электронов в качестве носителей информации, однако классические медные провода и дорожки на чипах уже не могут передавать информацию с достаточной для современных процессоров скоростью. Переход от электронов к фотонам может решить эту проблему. Нанофотонные устройства представляют интерес для применения в области цифровых технологий — в крупных дата-центрах, для мобильных сенсорных устройств, а также для аналоговых оптических сопроцессоров. Ключевой компонент таких устройств — наноантенна, способная принимать излучение определенной длины волны и преобразовывать его — менять частоту, амплитуду или направление.
В 1985 году Джон Вессель показал, что в качестве наноантенны можно использовать металлическую наночастицу. Дальнейшее развитие технологии привело к созданию нанопатч-антенн. Название «патч» происходит от английского «заплатка» — металлические наночастицы располагаются на металле, покрытом слоем диэлектрика, как заплатки на ткани (рисунок 1).
Рисунок 1. (а, с) схематическое устройство нанопатч-антенны. На стекло нанесен слой металла — алюминия, который, окисляясь, покрывается пленкой Al2O3, являющегося диэлектриком. Далее нанесен слой квантовых точек — небольших кристаллов сульфида или селенида кадмия, способных под воздействием электромагнитного излучения испускать свет определенной длины волны. Выше расположены кубические наночастицы серебра размером 80 нм. Источник: Nanotechnology
Под действием внешнего электромагнитного поля электроны в наночастице смещаются, образуя на краю частицы отрицательный заряд, противоположный край при этом приобретает положительный заряд, частица поляризуется.
Рисунок 2. Возбуждение локального поверхностного плазмонного резонанса электрическим полем (А) и распределение интенсивности поля вокруг наночастицы с возбужденным плазмоном (Б). Источник: «Успехи биологической химии», т. 55, 2015, с. 391–420, «Детекция межмолекулярных взаимодействий, основанная на регистрации поверхностного плазмонного резонанса», Д. В. Сотников, А. В. Жердев, Б. Б. Дзантиев
При этом возникает электромагнитное поле, направленное противоположно внешнему, которое колеблется в такт с падающей на частицу электромагнитной волной. Эти колебания физики описывают с помощью специальной квазичастицы — плазмона. Если частота волны не превышает определенного значения, внутреннее поле «экранирует» наночастицу от внешнего, падающая волна отражается — отсюда и характерный блеск, которым обладают металлы. Если же частота выше, электроны «не успеют» среагировать — волна поглотится или рассеется. Как и в любых колебаниях, у нас есть частота вынуждающего излучения, при которой амплитуда максимальна, — частота плазмонного резонанса.
«В результате колеблющиеся электроны в зазоре между металлической наночастицей и слоем металла создают мощное электрическое поле, намного превосходящее внешнее. Находящиеся в этом поле квантовые точки более эффективно поглощают внешнее излучение и, следовательно, более эффективно излучают. Уменьшение времени, за которое происходит излучение квантовой точки, происходит за счет открытого в 1964 году эффекта Парсела: поместив квантовую точку в резонатор из металлического слоя и наночастицы, мы можем заставить ее излучать быстрее», — поясняет Алексей Витухновский, профессор, заведующий лабораторией технологий 3D-печати функциональных микроструктур МФТИ.
Физики из лаборатории технологий 3D-печати функциональных микроструктур МФТИ с коллегами разработали конструкцию нанопатч-антенны, которая позволила сократить паузу между облучением и люминесцентным ответом в 60 раз (с 12 наносекунд до 0,2) и увеличить интенсивность излучения в 330 раз.
Кроме того, ученые предложили новый способ оптического исследования структуры нанопатч-антенн, основанный на перестройке длины волны лазерного излучения. Традиционный подход подразумевает использование метода «темного поля», когда образец подсвечивается «сбоку», так что изображение формируется рассеянным на нем светом. Основной минус темнопольной микроскопии — подсветка в широком спектральном диапазоне, при этом фокусное расстояние для разных длин волн будет разным, а изображение будет получаться размытым. Кроме того, если в основном наблюдение объекта ведется в светлом поле, перестраиваться в темное поле долго и неудобно.
Рисунок 3. Предложенная учеными схема микроскопии в свете слегка рассеянного лазерного излучения. Источник: Nanotechnology
Рисунок 4. а) изображение серебряных наночастиц на стекле, полученное методом темного поля b) и при помощи предложенного метода, c) — изображение серебряных наночастиц на металле, полученное при освещении образца лазерным излучением с длиной волны 530 нм d) и 650 нм. Источник: Nanotechnology
Предложенный авторами метод лишен этих недостатков — он основан на том, что наночастица на металле поглощает падающее излучение с частотой, близкой к частоте плазмонного резонанса, поэтому на изображении частица будет выглядеть темным пятном. Длина волны, при которой происходит плазмонный резонанс, в серебряной наночастице на алюминии — около 700 нм, поэтому при длине волны лазера в 650 нм картинка получается более четкой.
«Наноантенны — один из элементов, необходимых для создания квантовых компьютеров. Квантовые компьютеры используют источники одиночных фотонов, работающие на больших скоростях, и нанопатч-антенны могут выступать в роли такого источника. Кроме того, они могут быть использованы в органических светодиодах, из которых, в свою очередь, можно собрать световую поверхность или экран», — комментирует Станислав Елисеев, старший научный сотрудник лаборатории технологий 3D-печати функциональных микроструктур МФТИ.
