Регистрация / Вход
Прислать материал

14.584.21.0009

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.584.21.0009
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики"
Название доклада
Диэлектрические, плазмонные и гибридные фотонные наноструктуры
Докладчик
Зуев Дмитрий Александрович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Идея создания оптических устройств передачи и обработки информации подразумевает эффективное управление световыми полями на наномасштабе. Для решения этой задачи параллельно развиваются два направления – плазмоника и диэлектрическая нанофотоника. В свою очередь, объединение свойств плазмонных и диэлектрических материалов в одной металлодиэлектрической (гибридной) наноантенне позволит объединить преимущества плазмоники и диэлектричской нанофотоники: высокую степень локализации электромагнитной энергии и низкие диссипативные потери.
Целью данного научного исследования является изучение возможности управления оптическими свойствами ассиметричных гидридных наноантенн (нанодимеров золото-кремний) для управления светом на наномасштабе. Для достижения цели исследования необходимо провести экспериментальные измерения и численное моделирование оптических свойств как отдельных, так и массивов наноантенн, а также изучить возможность управления их оптическими свойствами при помощи лазерно-индуцированной модификации металлической составляющей нанодимеров.
Актуальность и новизна исследования
Металлические наноструктуры, обеспечивающие сильную локализацию поля, доказали свою эффективность в качестве систем для управления светом на наноуровне. Однако, высокие диссипативные потери в металлических наночастицах накладывают фундаментальные ограничения на эффективность функционирования плазмонных устройств. Напротив, низкие диссипативные потери в диэлектрических наноструктурах делают их перспективными материалами для управления светом. Первоначально плазмонные и диэлектрические наноструктуры изучались отдельно и только недавно была представлена идея гибридных наноструктур, сочетающих преимущества плазмонных и диэлектрических наноантенн. Причем разработка методов создания и управления оптическими свойствами таких наноантенн остается важной научной проблемой.
Недавно авторами исследования была разработана новая концепция асимметричных гибридных наноантенн, включающих кремниевый наноконус и золотой нанодиск. Важной чертой таких наноантенн является возможность модификации золотых нанодисков до наносфер с помощью фемтосекундного лазерного облучения.
В данной работе впервые представлены результаты исследования оптических свойств асимметричных гибридных нанодимеров. Методом численного моделировния изучены взаимные эффекты, происходящие в массиве гибридных наноантенн на примере пары гибридных наноструктур. Продемонстрировано, как фемтосекундная лазерная модификация металлической наночастицы влияет на резонанс Фано в олигомерах, состоящих из гибридных наноантенн.
Описание исследования

Первоначально было проведено численное моделирование для изучения свойств гибридных наноантенн в диапазоне оптических частот, состоящих из наночастиц сложной формы, распределения электрических и магнитных полей в ближнепольном приближении, а также диаграммы направленности применялся лицензионный программный пакет для имитационного моделирования CST Microwave Studio, использующий методы конечных разностей во временной области, конечных элементов, вычисления собственных мод.

Затем были созданы гибридные наноантенны при помощи последовательных процессов химического осаждения из газовой фазы, термического испарения, электронно-лучевой литографии, а также реактивного ионно-плазменного и жидкостного химического травления. Модификация наноструктур проводилась при помощи фемтосекундного лазера (AVESTA, 1050 нм., 100 фс., 80 МГц) Исследование поверхности полученных нанообъектов проводилось методом сканирующей электронной микроскопии (электронный микроскоп Crossbeam 1540 XB (Carl Zeiss).

Эксперименты по темнопольной микроскопии нанообъектов проводились на многофункциональной зондовой установке, оснащенной микроспектрометром высокого разрешения Horiba LabRAM HR UV-VIS-NIR, и системой ввода-вывода излучения с тремя (верхним, нижним и боковым) независимыми оптическими каналами и вспомогательными оптико-механическими элементами.

Результаты исследования

Для исследований была выбрана концепция асимметричной (не структура типа «ядро-оболочка») гибридной наноантенны. Этот концепт (золотой нанодиск помещается на кончик кремниевого наноконуса) имеет несколько преимуществ. Во-первых, эти наноструктуры могут быть изготовлены с помощью последовательных стадий изготовления, включающих стандартные методы литографии. Избирательная фс-лазерная модификация применяется для изменения спектрального положения магнитных и электрических оптические резонансов наноантенн. Таким образом, конечная геометрия гибридного нанодимера и оптические свойства после модификации, как правило, определяются плотностью энергии лазерного излучения и могут значительно изменяться.

Чтобы понять влияние фемтосекундной лазерной модификации на взаимные эффекты, происходящие в массиве гибридных наноантенн, была выбрана для численного моделирования система из пары гибридных наноструктур (димер). Численное моделирование показало, что с изменением формы частиц золота в гибридной наноантенне спектр рассеяния резко меняется, Кроме того, после модификации электрический дипольный резонанс Au наночастиц смещается в сторону магнитного дипольного резонанса кремния. Спектр рассеяния димера гибридных наноантенн с золотыми наночашками является более сложным из-за сложной формы Au наночастиц. Кроме того, мы наблюдали большую локализацию электрического поля в зазоре димера. Таким образом, было установлено, что фс-лазерное плавление золотой частицы гибридной наноантенны позволяет настраивать ее свойства дальнего и ближнего поля.

Далее были проведены исследования гексамера из шести немодифицированных гибридных нанодимеров. Мы продемонстировали, как числено, так и экспериментально, что фемтосекундная лазерная модификация металлической наночастицы влияет на резонанс Фано в олигомерах, состоящих из гибридных нанодимеров. Стоит отметить, что концепция перестраиваемых ассиметриченых наноантенн, методы их создания и настройки оптических свойств были проведены впервые.

Практическая значимость исследования
Проведенное исследование позволило получить результаты, являющиеся основополагающими в зарождающемся перспективном направлении гибридной нанофотоники. Впервые исследованы процессы создания и модификации ассиметричных гибридных металлодиэлектрических наноантенн, а также возможность управления их оптическими свойствами (рассеяние, диаграмма направленности) в широком диапазоне.
Результаты исследований могут применяться для расширения функциональности существующих оптоэлектронных устройств, а также создания нового класса принципиально новых устройств нанофотоники, управляемых оптическими сигналами. Кроме того, полученные результаты позволят сформировать задел в области создания высокоинтегрированных устройств нанофотоники, сочетающих линейные и нелинейные оптические свойства металлических и диэлектрических наноструктур и метаповерхностей. Возможными областями применения результатов исследования являются: нанофотоника, сенсорика, биомедицина, солнечная энергетика, системы связи и оптические шины передачи данных.
Постер

14.584.21.0009.ppt