Băng thông truyền thông quang học, bộ cộng hưởng quang học siêu mỏng
Các bộ cộng hưởng quang học có thể định vị các bước sóng ánh sáng cụ thể trong một không gian giới hạn và có những ứng dụng quan trọng trong tương tác giữa ánh sáng và vật chất.truyền thông quang họcCảm 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, các bộ cộng hưởng silicon hoạt động trong dải hồng ngoại gần thường yêu cầu cấu trúc quang học có kích thước hàng trăm nanomet trở lên. Trong những năm gần đây, các bộ cộng hưởng quang học phẳng siêu mỏng đã thu hút nhiều sự chú ý do tiềm năng ứng dụng 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 các bộ cộng hưởng phẳng là một trong những vấn đề khó khăn mà các nhà nghiên cứu phải đối mặt.
Khác với các vật liệu bán dẫn truyền thống, chất cách điện tôpô 3D (như bismuth telluride, antimony telluride, bismuth selenide, v.v.) là những vật liệu thông tin mới với các trạng thái bề mặt kim loại và trạng thái cách điện được bảo vệ về mặt tôpô. Trạng thái bề mặt được bảo vệ bởi tính đối xứng của phép nghịch đảo thời gian, và các electron của nó không bị tán xạ bởi các tạp chất phi từ tính, điều này mở ra triển vọng ứng dụng quan trọng trong điện toán lượng tử công suất thấp và các thiết bị spintronic. Đồng thời, vật liệu cách điện tôpô cũng thể hiện các đặc tính quang học tuyệt vời, chẳng hạn như chiết suất cao, độ phi tuyến lớn.quang họchệ số, dải quang phổ hoạt động rộng, khả năng điều chỉnh, dễ dàng tích hợp, v.v., cung cấp một nền tảng mới cho việc thực hiện điều chỉnh ánh sáng vàthiết bị quang điện tử.
Một nhóm nghiên cứu tại Trung Quốc đã đề xuất phương pháp chế tạo bộ cộng hưởng quang siêu mỏng bằng cách sử dụng màng nano chất cách điện tôpô bismuth telluride phát triển trên diện tích lớn. Khoang quang học này thể hiện đặc tính hấp thụ cộng hưởng rõ rệt trong dải hồng ngoại gần. Bismuth telluride có chiết suất rất cao, hơn 6 trong dải tần truyền thông quang học (cao hơn chiết suất của các vật liệu có chiết suất cao truyền thống như silicon và germanium), do đó độ dày của khoang quang học có thể đạt đến một phần hai mươi bước sóng cộng hưởng. Đồng thời, bộ cộng hưởng quang học 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 tần truyền thông quang học, là do sự ghép nối của bộ cộng hưởng với plasmon Tamm và sự giao thoa triệt tiêu của nó. Đáp ứng phổ của hiệu ứng này phụ thuộc vào độ dày của bộ cộng hưởng quang học và ổn định trước sự thay đổi của chiết suất môi trường xung quanh. Công trình này mở ra một hướng đi mới cho việc hiện thực hóa khoang quang học siêu mỏng, điều chỉnh phổ vật liệu cách điện tôpô và các thiết bị quang điện tử.
Như thể hiện trong Hình 1a và 1b, bộ cộng hưởng quang chủ yếu bao gồm chất cách điện tôpô bismuth telluride và màng nano bạc. 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 này lên một tinh thể quang tử được tạo thành từ các lớp Ta2O5 (182 nm) và SiO2 (260 nm) xếp chồng xen kẽ (Hình 1e), một vùng hấp thụ rõ rệt (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 thống nguyên tử.
Vật liệu bismuth telluride được đặc trưng bằng kính hiển vi điện tử truyền qua và phép đo ellipsometry. Hình 2a-2c hiển thị ảnh chụp hiển vi điện tử truyền qua (ảnh độ phân giải cao) và các mẫu nhiễu xạ điện tử được chọn của màng nano bismuth telluride. Có thể thấy từ hình rằng màng nano bismuth telluride được điều chế là vật liệu đa tinh thể, và hướng tăng trưởng chính là mặt phẳng tinh thể (015). Hình 2d-2f hiển thị chỉ số khúc xạ phức của bismuth telluride được đo bằng ellipsometer và chỉ số khúc xạ phức của trạng thái bề mặt và trạng thái được hiệu chỉnh. Kết quả cho thấy hệ số tắt của trạng thái bề mặt lớn hơn chỉ số khúc xạ trong phạm vi 230~1930 nm, thể hiện đặc tính giống kim loại. Chỉ số khúc xạ của vật liệu lớn hơn 6 khi bước sóng lớn hơn 1385 nm, cao hơn nhiều so với silicon, germanium và các vật liệu có chỉ số khúc xạ cao truyền thống khác trong dải này, tạo nền tảng cho việc chế tạo các bộ cộng hưởng quang học siêu mỏng. Các nhà nghiên cứu chỉ ra rằng đây là lần đầu tiên ghi nhận sự hiện thực hóa của một khoang quang học phẳng cách điện tôpô với độ dày chỉ vài chục nanomet trong dải tần truyền thông quang học. Tiếp theo, phổ hấp thụ và bước sóng cộng hưởng của khoang quang học siêu mỏng được đo với độ dày của bismuth telluride. Cuối cùng, ảnh hưởng của độ dày màng bạc lên phổ trong suốt cảm ứng điện từ trong cấu trúc nanocavity/tinh thể quang tử bismuth telluride được nghiên cứu.
Bằng cách chế tạo các màng mỏng phẳng 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 thu được một khoang quang học phẳng với độ dày chỉ vài chục nanomet. Khoang quang học siêu mỏng này có thể thực hiện 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 tần truyền thông quang học. Độ dày của khoang quang học bismuth telluride tỷ lệ thuận với bước sóng cộng hưởng, và nhỏ hơn so với các khoang quang học silicon và germanium tương tự. Đồng thời, khoang quang học bismuth telluride được tích hợp với tinh thể quang tử để đạt được hiệu ứng quang học bất thường tương tự như tính trong suốt cảm ứng điện từ của hệ thống 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 về vật liệu cách điện tôpô trong điều chỉnh ánh sáng và các thiết bị chức năng quang học.
Thời gian đăng bài: 30/09/2024