Предложен новый способ создания поверхностных наноструктур с настраиваемой симметрией
 Поверхность, имеющая наноструктуру с низкой (ромбической) симметрией. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Известно, что за проводимость в металлах отвечает так называемый свободный электронный газ. Однако, помимо совместного движения в определенном направлении под действием внешнего поля, свободные электроны могут участвовать и в других «коллективных мероприятиях». К примеру, электроны, расположенные на поверхности кристаллов, могут участвовать в коллективных колебаниях.
Плазмоны – это квазичастицы совместных колебаний свободного электронного газа в кристаллах. Частицы были введены для упрощения математического рассмотрения такого коллективного поведения. Последние годы исследование плазмонов ведется особенно тщательно в связи с тем, что эти квазичастицы могут использоваться для передачи информации с намного большими частотами, чем на сегодняшний день допускают «традиционные» методы.
Плазмоны, не смотря на то, что они в целом являются математической абстракцией, способны к взаимодействию с другими частицами. Как результат этого взаимодействия, существуют, например, плазмонные поляритоны. Поляритоны – это квазичастицы, введенные для упрощения рассмотрения взаимодействий частиц света, фотонов, и элементарных возбуждений среды. В особых случаях, когда параметры фотонов близки к параметрам возбуждений среды (а именно, когда совпадают частоты электромагнитных волн и возбуждений среды), этими взаимодействиями нельзя пренебречь. Так, например, нельзя пренебречь взаимодействиями фотонов с поверхностными колебаниями свободного электронного газа, ведь именно это явление и объясняет видимый нам цвет поверхности металлов.
Как металлические, так и металлодиэлектрические наноструктуры, способные производить плазмонные поляритоны, могут рассматриваться в качестве альтернативы плоским волноводам и фотонным кристаллам в вопросах управления светом и передачи сигналов практически без потерь. Однако, создание таких структур, отнюдь не простая задача. Ведь это должны быть поверхности, имеющие особую наноструктуру, причем, зачастую, эксперимент накладывает определенные требования на ее симметрию.
В своей работе, опубликованной в журнале ACS Nano, группа ученых из Northwestern University (США) предложила новую методику создания поверхностей, симметрией наноструктуры которых можно управлять на этапе производства. В основе предложенной методики лежит идея интерференционной литографии, позволяющей создавать двумерные поверхности с разнообразными трехмерными образованиями.
В своих первых экспериментах ученые создавали поверхности с самой низкой симметрией – ромбическими структурами, покрывающими пространства порядка нескольких квадратных сантиметров. При этом размеры отдельных «образований» не превышали вначале 400, а позже и 200 нм.
Исследования полученных поверхностей показали, что, в зависимости от реализованной симметрии наноструктур, за счет взаимодействия с плазмонами, существует возможность захвата фотонов, причем, не одной единственной частоты, а на достаточно широком диапазоне длин волн. Таким образом, можно утверждать, что, помимо удачной методики производства, работа ученых на практике продемонстрировала «широкополосные» фотонные кристаллы.
Как сама предложенная методика, так и полученные в результате эксперимента двумерные плазмонные кристаллы могут быть полезны в фотовольтаике, а также при создании оптических переключателей и излучающих свет устройств.
Также по теме:
Источники: