Fotonické nanostruktury (nanofotonika)

Transkript

1 Základy nanotechnologií KEF/ZANAN Fotonické nanostruktury (nanofotonika) Jan Soubusta

2 Obsah 1. ÚVOD 2. POHLED DO MIKROSVĚTA 3. OD ELEKTRONIKY K FOTONICE 4. FYZIKA PRO NANOFOTONIKU 5. PERIODICKÉ KRYSTALY 6. NANOFOTONIKA V PRAXI

3 Význam slova nanofotonika? Nano-fotonika studuje struktury s nanometrovými rozměry. Vědní obor, který: je na rozhraní nanotechnologií a optiky popisuje interakce světla s látkou na nanometrové škále fyzika chemie nanofotonika nanomateriály optika

4 Co je nanofotonika? (typické obrázky podle Wikipedie)

5 Obsah 1. ÚVOD 2. POHLED DO MIKROSVĚTA 3. OD ELEKTRONIKY K FOTONICE 4. FYZIKA PRO NANOFOTONIKU 5. PERIODICKÉ KRYSTALY 6. NANOFOTONIKA V PRAXI

6 POHLED DO MIKROSVĚTA

7 Jak se podívat na nanometrová objekty? okem optický mikroskopem difrakční limit je λ/2 elektronovým mikroskopem

8 Můžeme vidět nanometrové objekty očima? ANO ALE! Nevidíme vlastní strukturu, ale pouze její projevy. Barva motýlích křídel (Morpho) je způsobená fotonickými krystaly strukturou na škále stovek nanometrů. Tina R. Matin et al.

9 Barevná skla Pro obarvení skla těchto pohárů byly už ve 4. století použity nanokrystaly Au a Ag s typickým rozměrem 70 nm. Toto barvení skla se používalo také ve vitrážích kostelů. Barevné sklo se připravovalo přidáním různých kovů do skla při jeho výrobě. Za barvu skla jsou zodpovědné plazmony.

10 Luminiscence kvantových teček Barva vyzařování je díky rozměrovému kvantování určená velikostí kvantových teček (CdS, CdSe, InAs, InP).

11 Luminiscence uhlíkových kvantových teček v roztoku na papírku

12 Mikroskopie uhlíkových teček na papírku Mikroskop Olympus

13

14

15

16 2 µm

17 1µm Horizontální rozlišení optického konfokálního mikroskopu je pro modrý laser (400 nm) řádově 200 nm. Výškové rozlišení je řádově 10 nm

18 Obsah 1. ÚVOD 2. POHLED DO MIKROSVĚTA 3. OD ELEKTRONIKY K FOTONICE 4. FYZIKA PRO NANOFOTONIKU 5. PERIODICKÉ KRYSTALY 6. NANOFOTONIKA V PRAXI

19 OD ELEKTRONIKY K FOTONICE

20 Nano-elektronika versus nano-fotonika ELEKTRONIKA FOTONIKA tranzistory vláknová optika 1970 integrované obvody planární vlnovody 1980 mikroprocesory 32nm technologie 2000 integrované optické obvody fotonické krystaly zmenšování rozměrů a urychlování

21 Optická vlákna Optická vlákna se vyrábějí z oxidu křemíku Si0 2 Jednomódové vlákno struktura 1. Core (jádro) 8 µm 2. Cladding (plášť) 125 µm 3. Buffer (ochranná vrstva) 250 µm 4. Jacket (obal) 400 µm

22 Proč se optická vlákna používají? Elektrické signály ve vodičích se vzájemně ruší a je potřeba stíněné kabely. Signály v optických vláknech se navzájem neovlivňují. Jedním vláknem se mohou současně šířit různé signály (na různých barvách). Optická vlákna s ochranným obalem jsou použitelná ve všech možných i extrémních podmínkách (kabely pod mořem). Větší šířka pásma umožňuje rychlejší přenos dat na velké vzdálenosti (internet po optickém vlákně).

23 Nano-elektronika společně s nano-fotonikou Synchronizace obvodů na procesorovém čipu je zajištěna laserovým svazkem rozvedeným ve vlnovodu k jednotlivým obvodům. Intel

24 Základní prvky pro nanofotonikou na čipu Laser s heterostrukturou GaAs/GaAlAs Vlnovod fotodetektor

25 Obsah 1. ÚVOD 2. POHLED DO MIKROSVĚTA 3. OD ELEKTRONIKY K FOTONICE 4. FYZIKA PRO NANOFOTONIKU 5. PERIODICKÉ KRYSTALY 6. NANOFOTONIKA V PRAXI

26 FYZIKA PRO NANOFOTONIKU

27 Základní parametry nanosvěta Nanofotonikařeší interakci fotonů s elektrony (v látce). Elektrony i fotony jsou elementárníčástice projevují se u nich vlnové i částicové vlastnosti z klasického pohledu jsou zcela odlišné z pohledu kvantové mechaniky mají hodně společného Hlavní dva rozdíly jsou: 1. Elektrony jsou popsány skalární vlnovou funkcí, kdežto fotony (světlo) je vektorové pole, které popisuje polarizaci. 2. Elektrony přenášejí hmotu, elektrický náboj a spin, světlo nemá náboj ani spin ale má polarizaci.

28 Co je společné? Elektron má klidovou hmotnost Pro foton můžeme spočítat hmotnost pomocí Einsteinova vztahu pro energii Foton má vlnovou délku Pro elektron můžeme spočítat vlnovou délku pomocí de Broglieova vztahu Pro oba můžeme definovat vlnový vektor Protože elektron má mnohem kratší vlnovou délku platí

29 Základní rovnice pro fotony Šíření světla (fotonů) popisuje vlnová rovnice, odvozuje se z Maxwellových rovnic. Řešení ve volném prostoru je rovinná vlna Energie jednoho kvanta (fotonu)

30 Základní rovnice pro elektrony Chování elektronů popisuje Schrödingerova rovnice. Řešení ve volném prostoru je rovinná vlna Energie volného elektronu

31 Energie elektronu a fotonu ve volném prostoru vlnový vektor je reálný a určuje prostorovou frekvenci Energetická závislost je pro fotony lineární, vlnové délky jsou dlouhé a vlnový vektor je krátký. Energetická závislost je pro elektrony kvadratická, vlnové délky jsou krátké a vlnový vektor je delší.

32 Obsah 1. ÚVOD 2. POHLED DO MIKROSVĚTA 3. OD ELEKTRONIKY K FOTONICE 4. FYZIKA PRO NANOFOTONIKU 5. PERIODICKÉ KRYSTALY 6. NANOFOTONIKA V PRAXI

33 PERIODICKÉ KRYSTALY

34 Prostorové kvantování Prostorové omezení vede na kvatování spektra dovolených energií foton elektron planární vlnovod 2D kvantová jáma optické vlkno 1D kvantový drát mikroskopický optický rezonátor 0D kvantová tečka

35 Elektrony a fotony v krystalu Prostorové omezení pro elektrony je způsobeno coulombovským potenciálem, který vystupuje ve Schrödingerově rovnici. Různé potenciály dávají různá energetická spektra. krystal, perioda 0.2 nm čárové atomární spektrum pásové spektrum krystalu Prostorové omezení pro fotony je popsáno indexem lomu, který vystupuje ve vlnové rovnici. Různé profily indexu lomu dávají různá energetická spektra. fotonický krystal perioda 200 nm

36 Periodické struktury pro elektrony NaCl Výzkum periodických struktur začal studiem krystalických látek. Periodický potenciál s periodou řádově 0.2 nm způsobuje to, že energetické spektrum elektronů se rozdělí na dovolené a zakázané pásy. Fe FCC

37 Periodické struktury pro fotony Proto se začaly studovat materiály s periodickým rozložením indexu lomu s typickými rozměry 200 nm. periodické v jedné ose periodické ve dvou osách periodické ve třech osách

38 Obsah 1. ÚVOD 2. POHLED DO MIKROSVĚTA 3. OD ELEKTRONIKY K FOTONICE 4. FYZIKA PRO NANOFOTONIKU 5. PERIODICKÉ KRYSTALY 6. NANOFOTONIKA V PRAXI

39 NANOFOTONIKA V PRAXI

40 Fotonické krystaly Zatímco v pevnolátkových krystalech je krystalová struktura daná rovnovážným uspořádáním atomů u fotonických krystalů vytváříme strukturu s periodou řádově 100 nm a máme tedy možnost si navrhnout strukturu, která bude mít vlastnosti které požadujeme. Máme možnost připravit struktury s takřka neomezenou škálu optických vlastností "šitých na míru". Například fotonické krystaly s defekty mohou pracovat jako frekvenční filtry s velmi úzkým pásmem propustnosti. Pro některé interakce optických polí neexistují v přírodě vhodné materiály, fotonické krystaly toto mohou vyřešit. Lze také navrhnout struktury jejichž optické vlastnostmi lze řídit vnějšími parametry jako jsou elektrické pole nebo teplota.

41 1D nanofotonické krystaly Využití 1D struktur jako antireflexní vrstvy (minimální odrazivost) nebo reflexní vrstvy (zrcadlo s vysokou odrazivostí). typické tloušťky vrstev jsou nm Braggovská zrcadla

42 2D fotonická vlákna a) Bragg fiber, světlo je uzavřené braggovským zrcadlem ze soustředných válců. b) Hollow Core fiber, světlo se drží ve středové dutině díky zakázanému pásu vlákna (minimální ztrty) c) Solid Photonic fiber, světlo se drží v ose díky vyššímu indexu lomu. Díky lokalizaci pole mohou být zesíleny nelineární efekty (generace druhé harmonické). Lze vyrobit fotonická vlákna s nulovou disperzí. nebo vlákna pro zesílení nelineárních procesů.

43 Nanofotonická vlákna

44 3D fotonické krystaly J.D. Williams et al., Journal of Micro/Nanolithography 2010

45 Aplikace fotonických krystalů super-hranol hranol s velkou úhlovou disperzí generace druhé harmonické ve fotonickém vlákně. Např. červené světlo konvertuji namodré.

46 Aplikace fotonických krystalů směrování optického svazku Optický spínač zelený svazek otvírá cestu pro červený svazek

47 struktura s nulovým indexem lomu solárníčlánky založené na grafenu

48 KONEC