Băng thông quang học, bộ cộng hưởng quang học siêu mỏng

Băng thông quang học, bộ cộng hưởng quang học siêu mỏng
Bộ cộng hưởng quang học có thể định vị các bước sóng ánh sáng cụ thể trong một không gian hạn chế và có những ứng dụng quan trọng trong tương tác ánh sáng-vật chất,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 trong 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 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 toàn ảnh, 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 vật liệu thông tin mới với trạng thái bề mặt kim loại và trạng thái cách điện được bảo vệ tôpô. Trạng thái bề mặt được bảo vệ bởi tính đối xứng của nghịch đảo thời gian, và các electron của nó không bị tán xạ bởi các tạp chất phi từ tính, có 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 còn thể hiện các tính chất quang học tuyệt vời, chẳng hạn như chiết suất cao, hệ số phi tuyến lớn.quang họchệ số, phạm vi phổ làm việc rộng, khả năng điều chỉnh, tích hợp dễ dàng, v.v., cung cấp một nền tảng mới để hiện thực hóa việc điều chỉnh ánh sáng vàthiết bị quang điện tử.
Một nhóm nghiên cứu tại Trung Quốc đã đề xuất một phương pháp chế tạo bộ cộng hưởng quang học siêu mỏng bằng cách sử dụng màng nano cách điện tôpô bismuth telluride phát triển diện tích lớn. Khoang quang học cho thấy đặc tính hấp thụ cộng hưởng rõ ràng trong dải hồng ngoại gần. Bismuth telluride có chiết suất rất cao, hơn 6 trong dải truyền thông quang học (cao hơn chiết suất của các vật liệu chiết suất cao truyền thống như silicon và germani), do đó độ dày của khoang quang học có thể đạt tới 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 một hiệu ứng trong suốt cảm ứng điện từ mới được quan sát thấy trong dải truyền thông quang học, do sự kết hợp của bộ cộng hưởng với plasmon Tamm và giao thoa phá hủy của nó. Đáp ứng phổ của hiệu ứng này phụ thuộc vào độ dày của bộ cộng hưởng quang học và không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi chiết suất của môi trường xung quanh. Công trình này mở ra một hướng mới để 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 học chủ yếu bao gồm một chất cách điện tôpô bismuth telluride và các 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 các màng bismuth telluride và bạc lần lượt là 42 nm và 30 nm, khoang quang học 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 rõ rệt (Hình 1f) xuất hiện gần đỉnh hấp thụ cộng hưởng ban đầu (~1550 nm), tương tự như hiệu ứng trong suốt cảm ứng điện từ do các hệ thống nguyên tử tạo ra.

Vật liệu bismuth telluride được đặc trưng bằng kính hiển vi điện tử truyền qua và phép đo elip. HÌNH 2a-2c cho thấy ảnh chụp kính hiển vi điện tử truyền qua (hình ảnh độ phân giải cao) và các mẫu nhiễu xạ điện tử được chọn của màng nano bismuth telluride. Từ hình ảnh, có thể thấy màng nano bismuth telluride đã chế tạo là vật liệu đa tinh thể, và hướng phát triển chính là mặt phẳng tinh thể (015). Hình 2d-2f cho thấy chiết suất phức tạp của bismuth telluride được đo bằng máy đo elip và chiết suất trạng thái bề mặt và chiết suất phức tạp trạng thái được lắp đặt. Kết quả cho thấy hệ số tiêu quang của trạng thái bề mặt lớn hơn chiết suất trong khoảng 230-1930 nm, thể hiện các đặc tính giống kim loại. Chiết suất của vật liệu lớn hơn 6 khi bước sóng lớn hơn 1385 nm, cao hơn nhiều so với silic, germani và các vật liệu chiết suất 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 một khoang quang học phẳng cách điện tôpô được báo cáo với độ dày chỉ vài chục nanomet trong dải truyền thông quang học. Sau đó, phổ hấp thụ và bước sóng cộng hưởng của khoang quang học siêu mỏng đã được đo bằng độ dày của bismuth telluride. Cuối cùng, ảnh hưởng của độ dày màng bạc lên phổ độ trong suốt cảm ứng điện từ trong các cấu trúc tinh thể nano/khoang nano 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 chiết suất cực cao của vật liệu bismuth telluride trong dải hồng ngoại gần, một khoang quang học phẳng có độ dày chỉ vài chục nanomet đã được tạo ra. 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 truyền thông quang học. Độ dày của khoang quang học bismuth telluride tuyến tính với bước sóng cộng hưởng và nhỏ hơn độ dày của khoang quang học silicon và germani tương tự. Đồng thời, khoang quang học 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 do điện từ gây ra 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 vật liệu cách điện tôpô trong điều chỉnh ánh sáng và các thiết bị chức năng quang học.