由MIPT和ITMO大学的研究人员组成的物理学家团队对一系列材料进行了对比分析，以确定它们是否适合介电纳米光子学。他们系统研究的结果可以优化已知材料的使用，以构建光学纳米器件，并鼓励寻找具有优异性能的新材料。
为了发送、接收和处理电磁信号，需要使用天线。天线是一种能够有效发射、接收和重定向电磁辐射的装置。通常，人们认为天线是一种工作在无线电和微波范围内的宏观器件。但是，也有类似的光学设备(图1)。可见光的波长有数百纳米长。因此，光学天线必须是纳米尺寸的器件。纳米天线可以聚焦、引导和有效传输光，应用范围非常广泛，包括光信道传输、光电探测、显微镜、生物医学技术，甚至加速化学反应。
为了使天线有效地接收和发送信号，其元件需要谐振。在无线电波段，这些元素是电线。在光学范围内，具有等离子体共振的银和金纳米颗粒(图2a)已经为此目的使用了很长时间。这种粒子中的电磁场可以位于10纳米或更小的尺度上，但是由于导电金属的焦耳加热，磁场的大部分能量被浪费了。有一种等离子体纳米粒子的替代品，在过去五年里被广泛研究，那就是可见光频率下的高折射率介质材料粒子，比如硅。当电介质粒子的大小和光的波长刚好合适时，粒子支持一种特定类型的光学共振，这种共振被称为米氏共振(图2b)。由于电介质的材料特性不同于金属，用电介质类似物代替等离子体纳米天线可以显著降低电阻发热。
决定米氏共振参数的材料的关键特性是折射率。由高折射率材料制成的粒子具有以高品质因数为特征的共振。这意味着在这些材料中，在没有外部激励的情况下，电磁振荡持续的时间更长。此外，较高的折射率对应于较小的颗粒尺寸，允许更多的微光学器件。这些因素使得具有高折射率的材料，即具有高折射率的材料，更适合于实现电介质纳米天线。
在Optica发表的论文中，研究人员系统地研究了可见和红外光谱范围内可用的高折射率材料的共振。这种材料包括半导体和极性晶体，如碳化硅。为了解释各种材料的行为，作者提出了相关的品质因子，这些品质因子表示入射光激发的振荡会多快消失。理论分析使研究人员能够确定晶体硅是目前可用的最佳材料，可用于实现工作在可见光范围的介质天线，其中锗在红外波段优于其他材料。在光谱的中红外部分，由于可能的应用，例如辐射冷却，即通过以电磁波的形式将热量辐射到环境中来冷却加热体是特别令人感兴趣的；以及热伪装——减少物体发出的热辐射，让红外相机看不到，锗和碲的化合物占据底座。
质量因素的价值从根本上说是有限的。已经证明，半导体中的高折射率与电子的带间跃迁有关，电子不可避免地需要吸收入射光携带的能量。这种吸收反过来导致品质因数和发热的减少，这是研究人员试图摆脱的。因此，在高折射率和能量损失之间存在微妙的平衡。
“这项研究非常特别，因为它提供了最完整的高折射率材料图，显示了哪种材料最适合制造在这个光谱范围内工作的纳米天线，还因为它提供了对相关制造过程的分析，”德米特里说。ITMO大学物理与工程系超材料实验室研究员Zuev。“这使得研究人员能够选择材料以及所需的制造技术，同时考虑到他们的具体要求
根据制造技术的概述，硅、锗和砷化镓是纳米光子学中研究最彻底的高折射率电介质。有许多方法可以基于这些材料制作谐振纳米天线，包括光刻法、化学法和激光辅助法。然而，在某些材料的情况下，制造共振纳米颗粒的技术尚未开发出来。例如，研究人员还没有提出用碲化锗制造纳米天线的方法。通过理论分析，碲化锗在中红外范围的性质被认为是最吸引人的。
“毫无疑问，硅是制造电介质纳米天线最广泛使用的材料，”MIPT大学的博士生丹尼斯巴拉诺夫说。“它价格实惠，而且基于硅的制造技术已经确立。另外这个很重要，它兼容CMOS工艺，这是半导体工程的行业标准。但是硅并不是唯一的选择。在光学范围内，可能存在折射率甚至更高的其它材料。如果它们被发现，这对于介电纳米光子学来说意味着好消息。”
标签：
免责声明：本文由用户上传，如有侵权请联系删除！