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