Ученые объявили охоту за высокоиндексными материалами – Naked Science

Коллектив физиков, среди которых исследователи из МФТИ и Университета ИТМО, провел сравнительный анализ различных материалов на предмет их применимости для диэлектрической нанофотоники. Результаты этого систематического исследования не только позволят эффективнее использовать известные материалы для создания оптических наноантенн, но и подталкивают к поиску новых.

Для излучения, приема и обработки сигнала, переносимого электромагнитными волнами, используются антенны — устройства, способные делать это эффективно. Обычно подразумеваются макроскопические установки для работы с радио- и микроволновым излучением. Однако похожие антенны существуют и для работы с оптическим излучением. Длина волны видимого света составляет сотни нанометров, что обуславливает нанометровый размер таких устройств. Оптические наноантенны, позволяющие фокусировать, направлять и эффективно излучать свет, обладают широким спектром приложений, от передачи информации по оптическим каналам и микроскопии до фотодетектирования, решения биомедицинских задач и даже ускорения химических реакций.

Оптическая наноантенна

Чтобы антенна принимала и излучала сигнал желаемым образом, ее элементы должны обладать резонансами. В радиодиапазоне такими элементами являются отрезки проводов. В оптическом диапазоне в течение долгого времени в качестве подобных элементов использовались наночастицы из серебра или золота, обладающие плазмонными резонансами. Электромагнитные поля в таких частицах могут быть локализованы на масштабах всего лишь 10 нм и меньше, но из-за присущих металлам джоулевых потерь большая часть электромагнитной энергии расходуется на нагрев металла. Альтернативой плазмонным наночастицам являются активно изучаемые в последние пять лет частицы из диэлектриков с высоким показателем преломления в оптическом диапазоне (например, кремний). При определенном соотношении длины волны и диаметра частицы последняя способна поддерживать особые оптические резонансы, называемые резонансами Ми. Благодаря отличиям материальных свойств металлов и диэлектриков потери на нагрев в диэлектрических наноантеннах могут быть значительно меньше, чем в плазмонных аналогах.

Оптические резонансы в (а) плазмонной и (b) диэлектрической частицах

Ключевая характеристика материала, обуславливающая параметры резонанса Ми, — его показатель преломления. Частицы из материалов с более высоким показателем преломления обладают более добротными резонансами Ми — электромагнитные колебания в таких частицах существует дольше без внешнего возбуждения. Кроме того, диаметр резонансной частицы уменьшается с ростом показателя преломления, что позволяет создавать более миниатюрные оптические устройства. Эти факторы делают высокоиндексные материалы (т. е. обладающие высоким показателем преломления) более выгодными для реализации диэлектрических наноантенн.

В работе, опубликованной в журнале Optica, специалисты провели подробное систематическое исследование доступных высокоиндексных материалов в видимом и инфракрасном диапазонах с точки зрения резонансных характеристик. Набор таких материалов включает полупроводники и полярные кристаллы, такие как карбид кремния. В качестве наглядного параметра авторы выбрали Q-фактор (добротность) резонанса, который отражает, насколько быстро затухает возбужденный падающим светом резонанс. Теоретический анализ позволил заключить, что на сегодня лучшим материалом для реализации диэлектрических антенн в видимом диапазоне является кристаллический кремний, в ближнем инфракрасном — германий. В среднем инфракрасном диапазоне, который крайне интересен для решения таких задач, как радиационное охлаждение (т. е. охлаждение нагретого тела за счет излучения электромагнитной энергии в окружающее пространство) и тепловой камуфляж (обратная задача — уменьшение свечения нагретого тела, которое можно видеть через тепловизор), лавры победителя достались сплаву германия и теллура (GeTe).

Сравнение различных высокоиндексных материалов в терминах добротности (Q-фактора), которая отражает скорость затухания резонанса Ми частицы. Большее значение Q соответствует медленному затуханию и более выраженному резонансному поведению частицы

Существуют и фундаментальные ограничения на величину Q-фактора. Дело в том, что высокий показатель преломления в полупроводниках связан с межзонными электронными переходами, на которых энергия падающего света неизбежно поглощается. Поглощение же ведет к уменьшению добротности и тому самому нагреву, с которым исследователи пытаются бороться. Таким образом, существует тонкий баланс между высоким показателем преломления и потерями.

«Особенностью работы является не только наиболее полная на сегодняшний день картина, дающая представление о том, какой высокоиндексный материал оптимален для изготовления наноантенны для данной спектральной области, но и проведенный анализ методов создания таких наноструктур, — отмечает Дмитрий Зуев, научный сотрудник лаборатории „Метаматериалы“ физико-технического факультета Университета ИТМО. — Таким образом, исследователь может выбрать не только материал, но и метод изготовления, оптимальный для данного материала с учетом решаемого круга задач. Это является важным инструментом для проектирования и экспериментальной реализации широкого класса устройств диэлектрической нанофотоники».

Обзор методов показал, что кремний, германий и арсенид галлия исследованы лучше всего. Резонансные наноантенны из этих материалов могут быть произведены множеством способов — от литографии и химических методов до лазерных. Но не для всякого сырья существуют технологии производства резонансных наночастиц. Так, ученым ещё предстоит научиться создавать наноантенны из теллурида германия, который, согласно теоретическому анализу, обладает самыми привлекательными свойствами в среднем инфракрасном диапазоне.

«Кремний, несомненно, сегодня является самым популярным материалом для создания диэлектрических наноантенн, — комментирует открытия аспирант МФТИ, один из авторов работы Денис Баранов. — Он доступен, технологии производства наноструктур из него хорошо налажены, и, что важно, он совместим с технологией CMOS, являющейся сегодня стандартом в полупроводниковой индустрии. Однако кремний — не единственная опция. Возможно, существуют материалы с еще более высоким показателем в оптическом диапазоне. Их открытие будет замечательной новостью для диэлектрической нанофотоники».

Результаты, полученные исследователями, будут полезны в области нанофотоники при разработке новых резонансных наноантенн на основе высокоиндексных диэлектрических материалов. Помимо этого работа подталкивает к теоретическому и экспериментальному поиску новых высокоиндексных материалов, которые позволят улучшить характеристики диэлектрических наноантенн. Такие материалы, например, могут значительно увеличить эффективность радиационного охлаждения солнечных батарей, что является важной технологической проблемой.

@funscience to be continued...