Dải truyền thông quang học, bộ cộng hưởng quang siêu mỏng

Dải truyền thông quang học, bộ cộng hưởng quang siêu mỏng
Bộ cộng hưởng quang học có thể định vị các bước sóng cụ thể của sóng ánh sáng trong một không gian hạn chế và có những ứng dụng quan trọng trong tương tác vật chất ánh sáng,truyền thông quang học, cảm biến quang học và tích hợp quang học. Kích thước của bộ cộng hưởng chủ yếu phụ thuộc vào đặc tính vật liệu và bước sóng hoạt động, ví dụ, bộ cộng hưởng silicon hoạt động ở dải hồng ngoại gần thường yêu cầu cấu trúc quang học từ hàng trăm nanomet trở lên. Trong những năm gần đây, bộ cộng hưởng quang phẳng siêu mỏng đã thu hút nhiều sự chú ý nhờ các ứng dụng tiềm năng của chúng trong màu sắc cấu trúc, hình ảnh ba chiều, điều chỉnh trường ánh sáng và các thiết bị quang điện tử. Làm thế nào để giảm độ dày của bộ cộng hưởng phẳng là một trong những vấn đề khó khăn mà các nhà nghiên cứu phải đối mặt.
Khác với vật liệu bán dẫn truyền thống, chất cách điện tôpô 3D (như bismuth Telluride, antimon Telluride, bismuth selenide, v.v.) là những vật liệu thông tin mới với trạng thái bề mặt kim loại và trạng thái cách điện được bảo vệ theo cấu trúc liên kết. Trạng thái bề mặt được bảo vệ bởi tính đối xứng của nghịch đảo thời gian và các electron của nó không bị phân tán bởi các tạp chất không từ tính, điều này có triển vọng ứng dụng quan trọng trong các thiết bị điện tử spin và điện toán lượng tử năng lượng thấp. Đồng thời, vật liệu cách điện tôpô còn thể hiện các tính chất quang học tuyệt vời như chiết suất cao, phi tuyến lớnquang họchệ số, dải phổ làm việc rộng, khả năng điều chỉnh, tích hợp dễ dàng, v.v., cung cấp nền tảng mới để thực hiện quy định ánh sáng vàthiết bị quang điện tử.
Một nhóm nghiên cứu ở Trung Quốc đã đề xuất một phương pháp chế tạo các bộ cộng hưởng quang siêu mỏng bằng cách sử dụng màng nano cách điện tôpô bismuth Telluride đang phát triển trên diện rộng. Khoang quang học cho thấy đặc tính hấp thụ cộng hưởng rõ ràng ở dải hồng ngoại gần. Bismuth Telluride có chỉ số khúc xạ rất cao trên 6 trong dải truyền quang (cao hơn chỉ số khúc xạ của các vật liệu có chiết suất cao truyền thống như silicon và germanium), do đó độ dày khoang quang học có thể đạt tới một phần hai mươi cộng hưởng bước sóng. Đồng thời, bộ cộng hưởng quang được lắng đọng trên tinh thể quang tử một chiều và hiệu ứng trong suốt cảm ứng điện từ mới được quan sát thấy trong dải truyền thông quang, đó là do sự ghép nối của bộ cộng hưởng với plasmon Tamm và sự giao thoa triệt tiêu của nó . Phản ứng quang phổ của hiệu ứng này phụ thuộc vào độ dày của bộ cộng hưởng quang và mạnh mẽ trước sự thay đổi của chiết suất xung quanh. Công trình này mở ra một phương pháp mới để hiện thực hóa khoang quang siêu mỏng, điều chỉnh phổ vật liệu cách điện tôpô và các thiết bị quang điện tử.
Như thể hiện trên hình. Như được hiển thị trong Hình 1a và 1b, bộ cộng hưởng quang học chủ yếu bao gồm chất cách điện tôpô bismuth Telluride và màng nano bạc. Các màng nano bismuth Telluride được chế tạo bằng phương pháp phún xạ magnetron có diện tích lớn và độ phẳng tốt. Khi độ dày của màng bismuth Telluride và bạc lần lượt là 42 nm và 30 nm, khoang quang thể hiện sự hấp thụ cộng hưởng mạnh trong dải 1100 ~ 1800 nm (Hình 1c). Khi các nhà nghiên cứu tích hợp khoang quang học này vào một tinh thể quang tử được tạo thành từ các lớp Ta2O5 (182 nm) và SiO2 (260 nm) xen kẽ (Hình 1e), một thung lũng hấp thụ riêng biệt (Hình 1f) xuất hiện gần đỉnh hấp thụ cộng hưởng ban đầu (~ 1550 nm), tương tự như hiệu ứng trong suốt do điện từ gây ra bởi các hệ nguyên tử.

Vật liệu bismuth Telluride được đặc trưng bằng kính hiển vi điện tử truyền qua và phép đo elip. QUẢ SUNG. Hình 2a-2c thể hiện ảnh vi mô điện tử truyền qua (hình ảnh có độ phân giải cao) và các mẫu nhiễu xạ điện tử chọn lọc của màng nano bismuth Telluride. Từ hình vẽ có thể thấy rằng màng nano bismuth Telluride đã chuẩn bị là vật liệu đa tinh thể và hướng phát triển chính là mặt phẳng tinh thể (015). Hình 2d-2f cho thấy chỉ số khúc xạ phức tạp của bismuth Telluride được đo bằng máy đo elip và chỉ số khúc xạ phức tạp trạng thái và trạng thái bề mặt được trang bị. Kết quả cho thấy hệ số tắt của trạng thái bề mặt lớn hơn chiết suất trong khoảng 230~1930 nm, thể hiện đặc tính giống kim loại. Chỉ số khúc xạ của cơ thể lớn hơn 6 khi bước sóng lớn hơn 1385nm, cao hơn nhiều so với silicon, germanium và các vật liệu có chiết suất cao truyền thống khác trong dải này, tạo nền tảng cho việc chế tạo siêu âm. -bộ cộng hưởng quang mỏng. Các nhà nghiên cứu chỉ ra rằng đây là báo cáo đầu tiên về hộp quang phẳng cách điện tôpô có độ dày chỉ hàng chục nanomet trong dải truyền thông quang học. Sau đó, phổ hấp thụ và bước sóng cộng hưởng của khoang quang siêu mỏng được đo bằng độ dày của bismuth Telluride. Cuối cùng, người ta đã nghiên cứu ảnh hưởng của độ dày màng bạc đến quang phổ trong suốt cảm ứng điện từ trong cấu trúc tinh thể nano/tinh thể quang tử bismuth Telluride.

Bằng cách chuẩn bị các màng mỏng phẳng có diện tích lớn của chất cách điện tôpô bismuth Telluride và tận dụng chỉ số khúc xạ cực cao của vật liệu Bismuth Telluride trong dải hồng ngoại gần, người ta đã thu được một khoang quang học phẳng có độ dày chỉ hàng chục nanomet. Khoang quang siêu mỏng có thể nhận ra sự hấp thụ ánh sáng cộng hưởng hiệu quả trong dải hồng ngoại gần và có giá trị ứng dụng quan trọng trong việc phát triển các thiết bị quang điện tử trong dải truyền thông quang học. Độ dày của khoang quang bismuth Telluride là tuyến tính với bước sóng cộng hưởng và nhỏ hơn so với khoang quang silicon và germanium tương tự. Đồng thời, khoang quang bismuth Telluride được tích hợp với tinh thể quang tử để đạt được hiệu ứng quang học dị thường tương tự như độ trong suốt cảm ứng điện từ của hệ nguyên tử, cung cấp một phương pháp mới để điều chỉnh phổ của cấu trúc vi mô. Nghiên cứu này đóng một vai trò nhất định trong việc thúc đẩy nghiên cứu vật liệu cách điện tôpô trong các thiết bị điều chỉnh ánh sáng và chức năng quang học.