نانولیزرهای پلاسمونیک: خواص و کاربردهای اساسی

خلاصه

نانولیزرهای پلاسمونیک دسته جدیدی از ساطع کننده های منسجم هستند که در آنها پلاسمون های سطحی با انتشار تحریک شده در یک نانوحفره پلاسمونیک تقویت می شوند. در مقایسه با لیزرها، اندازه فیزیکی و حجم حالت نانولیزرهای پلاسمونیک می‌تواند فراتر از حد پراش نوری کوچک شود و می‌تواند با سرعت بیشتر و مصرف انرژی کمتری کار کند. در ابتدا توسط برگمن و استاکمن در سال 2003 پیشنهاد شد، و برای اولین بار در سال 2009 به صورت تجربی نشان داده شد. در اینجا ما مطالعات خود را در مورد خواص اساسی و کاربردهای نانولیزرهای پلاسمونیک در سال های اخیر، از جمله مشخصه تابش تاریک، قوانین مقیاس، بازده کوانتومی، آستانه کوانتومی، خلاصه می کنیم. بهینه سازی سود و زیان، مواد پلاسمونیک کم تلفات، سنجش، و مهندسی حالت ویژه.

کلمات کلیدی: نانولیزرها نانولیزر پلاسمونیک؛ لیزرهای نیمه هادی؛ اسپاسرها

1. مقدمه

در سال 1916، آلبرت انیشتین قانون تابش جسم سیاه پلانک را بر اساس تعادل حرارتی ماده و تشعشع دوباره استخراج کرد و وجود انتشار تحریک شده را مطرح کرد [1]. کشف تابش تحریک شده منجر به ساطع کننده های منسجم میزر و لیزر می شود که به ترتیب مخفف "تقویت امواج مایکروویو با انتشار تحریک شده تشعشع" و "تقویت نور با انتشار تحریک شده تشعشع" هستند. اولین میزر توسط چارلز اچ. تاونز، جیمز پی گوردون و هربرت جی. زیگر در سال 1954 گزارش شد [2]. به دلیل طول موج زیاد، اندازه حفره میزر در حد متر است. لیزر بر اساس همان اصل میزر عمل می کند، اما در فرکانس نوری بالاتر عمل می کند. در سال 1958، Arthur L. Schawlow و Charles H. Townes از نظر تئوری تکنیک های میزر را به ناحیه مادون قرمز و نوری که لیزر است گسترش دادند، اما در آن زمان آن را میزر نوری می نامیدند [3]. اولین لیزر توسط تئودور میمن در سال 1960 گزارش شد [4].

بلافاصله پس از اختراع، لیزرها به یک محرک کلیدی برای علم و فناوری مدرن تبدیل شدند. ایجاد لیزرهای کوچکتر از همان ابتدا یک هدف تحقیقاتی بوده است، با هدف اندازه فشرده تر و مصرف انرژی کمتر. لیزرهای ساطع کننده لبه نیمه هادی دارای اندازه 100 میکرومتر هستند و محرک های کلیدی برای پیوندهای نوری دوربرد هستند. لیزرهای ساطع کننده سطح نیمه هادی دارای اندازه ویژگی حدود 10 میکرومتر هستند و بهترین راه حل برای اتصالات نوری در فواصل کوتاه و لوازم الکترونیکی مصرفی هستند. در حدود سال 2000، نمایش لیزرهای میکرودیسک [5]، لیزرهای کریستال فوتونی [6] و لیزرهای نانوسیم [7] اندازه ویژگی یک لیزر را به ناحیه میکرومتر یا حتی زیر میکرومتر کاهش داد. با این حال، لیزرها فوتون ها را تقویت می کنند، که در آن حد پراش نوری مانعی برای کاهش اندازه فیزیکی و حجم حالت آن ایجاد می کند. برای منطقه مادون قرمز و نوری نزدیک، لیزرها نمی توانند کوچکتر از حدود صدها نانومتر باشند.

در سال 2003، برگمن و استاکمن مفهوم اسپاسر، مخفف "تقویت پلاسمون سطحی با انتشار تحریک شده تشعشع" را پیشنهاد کردند [8]. پلاسمون های سطحی شبه ذرات فوتون ها و الکترون های جفت شده هستند که در سطح فلز برانگیخته می شوند. تقویت پلاسمون‌های سطحی به جای فوتون‌ها در نانوحفره پلاسمونیک، دسته جدیدی از ساطع‌کننده‌های منسجم را با اندازه‌های مشخصه‌ای تا ده‌ها نانومتر یا حتی کوچک‌تر، قابل مقایسه با ترانزیستورهای مدرن، فراهم می‌کند. امروزه اسپیسر را نانولیزر پلاسمونیک نیز می نامند. این یک ابزار قدرتمند جدید برای کاربردهای مختلف از اتصالات نوری روی تراشه، سنجش و تشخیص، برچسب‌گذاری بیولوژیکی و ردیابی ارائه می‌کند.

در سال 2009، اولین نانولیزر پلاسمونیک به طور تجربی توسط سه تیم به طور مستقل انجام شد [9]، [10]، [11]. هر تیم یک نانولیزر پلاسمونیک را نشان داد که محصور شدن طول زیر موج را در ابعاد مختلف نشان می‌دهد. پس از آن، تعداد زیادی از نانولیزرهای پلاسمونیک با معماری های منحصر به فرد و بهره های مختلف و مواد پلاسمونیک ساخته شده اند. تعدادی مقاله مروری جامع در مورد نانولیزرهای پلاسمونیک وجود دارد [12]، [13]، [14]، [15]، [16]، [17]، [18]، [19]، [20]، [21]. ، [22]، [23]، [24]، [25]، [26]، [27]، [28]، [29]، [30]، [31]، [32]، [33]. در این دیدگاه، ما تحقیقات نانولیزرهای پلاسمونیک در گروه خود در سال‌های اخیر را خلاصه می‌کنیم، از جمله مشخصه‌های انتشار تاریک، قوانین پوسته‌گذاری، بازده کوانتومی، آستانه کوانتومی، بهینه‌سازی سود و زیان، مواد پلاسمونیک کم تلفات، سنجش، و مهندسی حالت ویژه.