Fotonické nanostruktury (nanofotonika)



Podobné dokumenty
Fotonické nanostruktury (alias nanofotonika)

Přehled posledních experimentů skupiny kvantové a nelineární optiky v Olomouci

MAKROSVĚT ~ FYZIKA MAKROSVĚTA (KLASICKÁ) FYZIKA

Od kvantové mechaniky k chemii

MODERNÍ METODY CHEMICKÉ FYZIKY I lasery a jejich použití v chemické fyzice Přednáška 5

Fyzika, maturitní okruhy (profilová část), školní rok 2014/2015 Gymnázium INTEGRA BRNO

Optoelektronika. Katedra fyzikální elektroniky FJFI ČVUT

Jiří Oswald. Fyzikální ústav AV ČR v.v.i.

Úvod do moderní fyziky. lekce 3 stavba a struktura atomu

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI

Elektronový obal atomu

Lasery optické rezonátory

Fyzika IV. -ezv -e(z-zv) kov: valenční elektrony vodivostní elektrony. Elektronová struktura pevných látek model volných elektronů

1. Kvantové jámy. Tabulka 1: Efektivní hmotnosti nosičů v krystalech GaAs, AlAs, v jednotkách hmotnosti volného elektronu m o.

Laserová technika prosince Katedra fyzikální elektroniky.

Fyzika laserů. 4. dubna Katedra fyzikální elektroniky.

Přednášky z lékařské biofyziky Biofyzikální ústav Lékařské fakulty Masarykovy univerzity, Brno

Krystalografie a strukturní analýza

Nanotechnologie a jejich aplikace. doc. RNDr. Roman Kubínek, CSc.

Společná laboratoř optiky. Skupina nelineární a kvantové optiky. Představení vypisovaných témat. bakalářských prací. prosinec 2011

Optika a nanostruktury na KFE FJFI

TECHNOLOGIE OPTICKÝCH VLÁKEN A KABELŮ

Optika. Nobelovy ceny za fyziku 2005 a Petr Malý Katedra chemické fyziky a optiky Matematicko fyzikální fakulta UK

Mikro a nano vrstvy. Technologie a vlastnosti tenkých vrstev, tenkovrstvé sensory - N444028

Blue-light LED, modrá

Akustooptický modulátor s postupnou a stojatou akustickou vlnou

Nanotechnologie. Autor: Mgr. Stanislava Bubíková. Datum (období) tvorby: Ročník: devátý

Akustooptický modulátor s postupnou a stojatou akustickou vlnou

Světlo jako elektromagnetické záření

Optoelektronika. elektro-optické převodníky - LED, laserové diody, LCD. Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)

Okruhy k maturitní zkoušce z fyziky

Fyzika II. Marek Procházka Vlnová optika II

Optické spektroskopie 1 LS 2014/15

Maturitní témata fyzika

Úvod do laserové techniky KFE FJFI ČVUT Praha Michal Němec, Plynové lasery. Plynové lasery většinou pracují v kontinuálním režimu.

Úloha č. 8 Vlastnosti optických vláken a optické senzory

NANOMATERIÁLY, NANOTECHNOLOGIE, NANOMEDICÍNA

OPTIKA Fotoelektrický jev TENTO PROJEKT JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY.

Otázky ke státní závěrečné zkoušce Nanotechnologie

Název a číslo materiálu VY_32_INOVACE_ICT_FYZIKA_OPTIKA

2. Elektrotechnické materiály

PSK1-14. Optické zdroje a detektory. Bohrův model atomu. Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola, Božetěchova 3 Ing. Marek Nožka.

Otázky ke státní závěrečné zkoušce Nanotechnologie

Využití fotonických služeb e-infrastruktury pro přenos ultrastabilních optických frekvencí

Tabulace učebního plánu. Vzdělávací obsah pro vyučovací předmět : Fyzika. Ročník: I.ročník - kvinta

Fyzika pevných látek. doc. RNDr. Jan Voves, CSc. Fyzika pevných látek Virtual Labs OES 1 / 4

Vlnění, optika a atomová fyzika (2. ročník)

Vybrané podivnosti kvantové mechaniky

Laserové technologie v praxi I. Přednáška č.8. Laserové zpracování materiálu. Hana Chmelíčková, SLO UP a FZÚ AVČR Olomouc, 2011

(Umělé) osvětlování pro analýzu obrazu

Mikroskopie rastrující sondy

Otázky ke státní závěrečné zkoušce Nanotechnologie

Fyzika IV. g( ) Vibrace jader atomů v krystalové mříži

Atomové jádro Elektronový obal elektron (e) záporně proton (p) kladně neutron (n) elektroneutrální

Pozorování Slunce s vysokým rozlišením. Michal Sobotka Astronomický ústav AV ČR, Ondřejov

Charakteristiky optického záření

Základní otázky pro teoretickou část zkoušky.

Chemie a fyzika pevných látek p2

PB169 Operační systémy a sítě

Glass temperature history

Počátky kvantové mechaniky. Petr Beneš ÚTEF

Přenosová média KIV/PD Přenos dat Martin Šimek

Jádro se skládá z kladně nabitých protonů a neutrálních neutronů -> nukleony

Lasery RTG záření Fyzika pevných látek

laboratorní řád, bezpečnost práce metody fyzikálního měření, chyby měření hustota tělesa

5. Vedení elektrického proudu v polovodičích

2. Difrakce elektronů na krystalu

Fyzika pro chemiky II

Optika. Co je světlo? Laser vlastnosti a využití. Josef Štěpánek Fyzikální ústav MFF UK

16. Franck Hertzův experiment

Fyzikální vzdělávání. 1. ročník. Učební obor: Kuchař číšník Kadeřník. Implementace ICT do výuky č. CZ.1.07/1.1.02/ GG OP VK

VLNOVÁ OPTIKA. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Optika - 3. ročník

1. Millerovy indexy, reciproká mřížka

ATOM VODÍKU MODEL : STOJÍCÍ BODOVÉ JÁDRO A ELEKTRON VZÁJEMNĚ ELEKTROSTATICKY INTERAGUJÍCÍ SCHRÖDINGEROVA ROVNICE PRO PŘÍPAD POTENCIÁLNÍ ENERGIE.

Rentgenová spektrální analýza Elektromagnetické záření s vlnovou délkou 10-2 až 10 nm

Obsah PŘEDMLUVA...9 ÚVOD TEORETICKÁ MECHANIKA...15

Nanoelektronika aneb Co by nás nemělo překvapit ve světě malých rozměrů

Zdroje optického záření

INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ. Příklady použití tenkých vrstev Jaromír Křepelka

λ hc Optoelektronické součástky Fotorezistor, Laserová dioda

5. Optické počítače. 5.1 Optická propojení

Cíl kapitoly Cílem kapitoly je sezn{mit se s principy fotonických spínacích prvků

Profilová část maturitní zkoušky 2017/2018

R10 F Y Z I K A M I K R O S V Ě T A. R10.1 Fotovoltaika

Teorie rentgenové difrakce

Seznam otázek pro zkoušku z biofyziky oboru lékařství pro školní rok

Budoucnost mikroelektroniky ve hvězdách.... spintronika jednou z možných cest

Optika pro mikroskopii materiálů I

[KVANTOVÁ FYZIKA] K katoda. A anoda. M mřížka

Ing. Pavel Hrzina, Ph.D. - Laboratoř diagnostiky fotovoltaických systémů Katedra elektrotechnologie K13113

Světlo x elmag. záření. základní principy

České vysoké učení technické v Praze Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská OKRUHY. ke státním zkouškám DOKTORSKÉ STUDIUM

2. Atomové jádro a jeho stabilita

Hamiltonián popisující atom vodíku ve vnějším magnetickém poli:

Zeemanův jev. Pavel Motal 1 SOŠ a SOU Kuřim, s. r. o. Miroslav Michlíček 2 Gymnázium Vyškov

FYZIKA II. Marek Procházka 1. Přednáška

3. Vlastnosti skla za normální teploty (mechanické, tepelné, optické, chemické, elektrické).

Chování látek v nanorozměrech

37 MOLEKULY. Molekuly s iontovou vazbou Molekuly s kovalentní vazbou Molekulová spektra

Fotonické sítě jako médium pro distribuci stabilních signálů z optických normálů frekvence a času

Transkript:

Základy nanotechnologií KEF/ZANAN Fotonické nanostruktury (nanofotonika) Jan Soubusta 4.11. 2015

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

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

Co je nanofotonika? (typické obrázky podle Wikipedie)

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

POHLED DO MIKROSVĚTA

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

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.

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.

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

Luminiscence uhlíkových kvantových teček v roztoku na papírku

Mikroskopie uhlíkových teček na papírku Mikroskop Olympus

2 µm

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

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

OD ELEKTRONIKY K FOTONICE

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

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 http://cs.wikipedia.org

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).

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

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

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

FYZIKA PRO NANOFOTONIKU

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.

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

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)

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

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.

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

PERIODICKÉ KRYSTALY

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

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

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

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 http://www.physics.buffalo.edu http://www.photonic-lattice.com

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

NANOFOTONIKA V PRAXI

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.

1D nanofotonické krystaly Využití 1D struktur jako antireflexní vrstvy (minimální odrazivost) nebo reflexní vrstvy (zrcadlo s vysokou odrazivostí). typické tloušťky vrstev jsou 100 200 nm Braggovská zrcadla http://lts.fzu.cz/cz/res-ps.htm http://www.thorlabs.de

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. http://www.physics.buffalo.edu

Nanofotonická vlákna

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

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

Aplikace fotonických krystalů směrování optického svazku Optický spínač zelený svazek otvírá cestu pro červený svazek http://www.fysik-nano.fotonik.dtu.dk

struktura s nulovým indexem lomu solárníčlánky založené na grafenu

KONEC