Учёные объявили охоту за высокоиндексными материалами

Коллектив физиков, среди которых исследователи из МФТИ и Университета ИТМО , провёл 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, приёма и обработки сигнала, переносимого электромагнитными волнами, используются антенны — устройства, способные эффективно это делать. Обычно подразумеваются макроскопические устройства для работы с радио- и микроволновым излучением. Однако похожие антенны существуют и для работы с оптическим излучением (Рис. 1). 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.


Рис. 1. Оптическая наноантенна.

Чтобы антенна принимала и излучала сигнал желаемым образом, её 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, Рис. 2(а). Электромагнитные поля в таких частицах могут быть локализованы на масштабах всего лишь 10 нм и меньше, однако 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 (таких как, например, кремний). При определённом соотношении длины волны и диаметра частицы, частица способна поддерживать особые оптические резонансы, называемые резонансами Ми, Рис. 2(b). Благодаря отличиям материальных свойств металлов и диэлектриков, потери на нагрев в диэлектрических наноантеннах могут быть значительно меньше, чем в плазмонных аналогах.


Рис. 2. Оптические резонансы в (а) плазмонной и (b) диэлектрической частицах. Изображение предоставлено авторами статьи.

Ключевой характеристикой материала, обуславливающей параметры резонанса Ми, является 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 своей работе, опубликованной в журнале Optica , учёные 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 возбуждённый 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 счёт 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), Рис. 3.


Рис. 3. 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. Изображение предоставлено авторами статьи.

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 ведёт 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 всех материалов существуют технологии производства резонансных наночастиц. Так, учёным 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 является не единственной опцией. Возможно, существуют материалы с ещё 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.

 
По теме
Губернатор подчеркнул важность привлечения на работу врачей и создания рабочих мест в Подмосковье - Долгие Пруды Губернатор Подмосковья Андрей Воробьев на совещании с руководящим составом правительства Московской области в понедельник поручил продолжить работу по привлечению врачей и медспециалистов в Подмосковье,
18.06.2018
 
Воробьев: прошу дальше сопровождать мероприятия по поддержке врачей в Подмосковье - Серебряно-Прудский вестник Пресс-служба Губернатора и Правительства Московской области, Антон Чернов Губернатор Московской области Андрей Воробьев призвал и дальше сопровождать мероприятия по поддержке терапевтов и педиатров в Подмосковье,
18.06.2018
За прошедшую неделю, 11-17 июня, лесопожарными службами и привлеченными лицами ликвидировано 362 лесных пожара в 42 регионах России - Авиалесоохрана В период с 11 по 17 июня 2018 г. лесопожарными службами и привлеченными лицами ликвидировано на территории России 362 лесных пожара на общей площади 55 215 га,
18.06.2018
Арбитражный суд города Москвы поддержал постановление Управления о наложении штрафа в отношении ПАО «МОЭСК» - Серп и Молот Арбитражный суд города Москвы признал законным постановление Московского областного УФАС России о привлечении ПАО «МОЭСК» к административной ответственности за нарушение Правил технологического присоединения.
18.06.2018
 
Губернатор подчеркнул важность привлечения на работу врачей и создания рабочих мест в Подмосковье - Звенигородские ведомости Губернатор Подмосковья Андрей Воробьев на совещании с руководящим составом правительства Московской области в понедельник поручил продолжить работу по привлечению врачей и медспециалистов в Подмосковье,
18.06.2018
Единая Дежурная Диспетчерская служба, ЕДДС, 112, безопасность, чп, чрезвычайное происшествие С 4 по 12 июня по линии Единой Дежурной Диспетчерской службы городского округа Ступино на номер «112» поступило 3444 звонков.
15.06.2018 Ступинская панорама
Прогулки с Татьяной Алексеевой: Выходной день - Орехово-Зуевская правда Пейзажи окрестностей Орехово-Зуева, сделанные известным орехово-зуевским фотографом Татьяной Алексеевой в эти июньские выходные Татьяна Алексеева Татьяна Алексеева Татьяна Алексеева Татьяна Алексеева Татья
18.06.2018 Орехово-Зуевская правда
БЕЛЫЕ АКАЦИИ И ЛЕТАЮЩИЕ КНИГИ - МГИК ЛИТО «Точки» А. В. Воронцова на Международной книжной выставке в Чехии   Литературное объединение «Точки» при Совете по прозе Союза писателей России, возглавляемое писателем,
18.06.2018 МГИК
XV Коломенская регата по академической гребле - Комитет по физической культуре и спорту 15-17 июня 2018 года на гребной базе СШОР по академической гребле прошла «ХV Коломенская регата по академической гребле среди юношей и девушек посвященная коломенцам, погибшим в локальных войнах и военных конфликтах».
18.06.2018 Комитет по физической культуре и спорту
Спорт как жизнь - Газета Родник Уютная квартира, на стенах медали и фото любимых учеников. Сразу понятно, что тут живет семья спортсменов.Отец и дочь успешно продолжают карьеру своегодеда-тренируют будущих чемпионов.
18.06.2018 Газета Родник
Клуб «Waraxe» присоединился к ОД «Русский характер» - Люберецкая панорама ЛЮБЕРЦЫ. 17 июня. INLUBERTSY.RU - К Люберецкому ОД «Русский характер» присоединился легендарный клуб по самообороне и ножевому бою «Waraxe» в лице своего руководителя Сергея Гуленкова, сообщает Люберецкое информагентство.
17.06.2018 Люберецкая панорама
Золотые знаки и удостоверения Комплекса ГТО вручили 14 июня в универсальном зале ФСК «Салют» выпускникам, которые выполнили все испытания.
18.06.2018 Долгие Пруды
Инсталляцию в виде футбольного мяча диаметром семь метров покажут посетителям музея «Новый Иерусалим» в Истре, арт-объект откроется 19 июня и будет доступен до 15 июля,
18.06.2018 Звенигородские ведомости
Совещание с запредами правительства 18 июня 2018 - Правительство Московской области Источник: Пресс-служба Губернатора Московской области, Антон Чернов Губернатор Подмосковья Андрей Воробьев на совещании с руководящим составом правительства Московской области в понедельник поручил продолжить работу п
18.06.2018 Правительство Московской области