Dải giao tiếp quang học, bộ cộng hưởng quang cực mỏng

Dải giao tiếp quang học, bộ cộng hưởng quang cực mỏng
Bộ cộng hưởng quang học có thể bản địa hóa các bước sóng cụ thể của sóng ánh sáng trong một không gian hạn chế và có các ứng dụng quan trọng trong tương tác ánh sáng,giao tiếp quang học, cảm biến quang học và tích hợp quang học. Kích thước của bộ cộng hưởng chủ yếu phụ thuộc vào các 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 của hàng trăm nanomet trở lên. Trong những năm gần đây, các bộ cộng hưởng quang mặt phẳng siêu mỏng đã thu hút nhiều sự chú ý do các ứng dụng tiềm năng của chúng trong màu sắc cấu trúc, hình ảnh ba chiều, điều hòa 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 các vật liệu bán dẫn truyền thống, các chất cách điện tôpô 3D (như bismuth telluride, antimon telluride, bismuth selenide, v.v.) là các vật liệu thông tin mới với trạng thái bề mặt kim loại được bảo vệ cấu trúc và trạng thái cách điện. Trạng thái bề mặt được bảo vệ bởi sự đối xứng của đảo ngược thời gian và các electron của nó không bị phân tán bởi các tạp chất phi từ tính, có triển vọng ứng dụng quan trọng trong các thiết bị điện toán lượng tử năng lượng thấp và các thiết bị spinning. Đồng thời, các vật liệu cách điện tôpô cũng cho thấy các đặc tính quang học tuyệt vời, chẳng hạn như chỉ số khúc xạ cao, phi tuyến lớnquang họchệ số, phạm vi phổ hoạt động rộng, khả năng điều chỉnh, tích hợp dễ dàng, v.v., cung cấp một 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 để chế tạo các bộ cộng hưởng quang học siêu mỏng bằng cách sử dụng các sợi nano cách điện bismuth Telluride đang phát triển diện tích lớn. Khoang quang cho thấy các đặc tính hấp thụ cộng hưởng rõ ràng trong dải hồng ngoại gần. Bismuth Telluride có chỉ số khúc xạ rất cao hơn 6 trong dải giao tiếp quang học (cao hơn chỉ số khúc xạ của các vật liệu chỉ số khúc xạ truyền thống như silicon và germanium), do đó độ dày khoang quang có thể đạt đến một phần hai của bước sóng cộng hưởng. Đồng thời, bộ cộng hưởng quang học được lắng đọng trên một tinh thể quang tử một chiều và hiệu ứng trong suốt được gây ra điện từ mới được quan sát thấy trong dải giao tiếp quang học, là do sự kết hợp của bộ cộng hưởng với plasmon TAMM và nhiễu phá hủy của nó. Phản ứng quang phổ của hiệu ứng này phụ thuộc vào độ dày của bộ cộng hưởng quang học và mạnh mẽ với sự thay đổi của chỉ số khúc xạ xung quanh. Công trình này mở ra một cách mới để hiện thực hóa khoang quang siêu âm, quy định phổ vật liệu cách điện tôpô và 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 sợi nano bạc. Các sợi nano bismuth Telluride được điều chế bằng phương pháp phun Magnetron có diện tích lớn và độ phẳng tốt. Khi độ dày của màng bismuth Telluride và bạc lần lượt là 42nm và 30nm, khoang quang thể hiện sự hấp thụ cộng hưởng mạnh trong dải 1100 ~ 1800nm ​​(Hình 1C). Khi các nhà nghiên cứu tích hợp khoang quang này vào một tinh thể quang tử được làm từ các ngăn xếp xen kẽ của các lớp TA2O5 (182 nm) và SiO2 (260nm) (Hình 1E), một thung lũng hấp thụ khác biệt (Hình 1F) xuất hiện gần đỉnh hấp thụ gốc (~ 1550nm).

Vật liệu bismuth Telluride được đặc trưng bởi kính hiển vi điện tử truyền và hình elip. QUẢ SUNG. 2A-2C cho thấy các vi sóng điện tử truyền (hình ảnh độ phân giải cao) và các mẫu nhiễu xạ điện tử được chọn của các sợi nano bismuth Telluride. Có thể thấy từ hình mà các hạt nano bismuth đã chuẩn bị là vật liệu đa tinh thể, và định hướng tăng trưởng chính là (015) mặt phẳng tinh thể. Hình 2D-2F cho thấy chỉ số khúc xạ phức tạp của bismuth Telluride được đo bằng hình elip kế và chỉ số khúc xạ phức tạp trạng thái bề mặt và trạng thái được trang bị. Kết quả cho thấy hệ số tuyệt chủng của trạng thái bề mặt lớn hơn chỉ số khúc xạ trong phạm vi 230 ~ 1930nm, cho thấy các đặc tính giống như kim loại. Chỉ số khúc xạ của cơ thể là hơn 6 khi bước sóng lớn hơn 1385nm, cao hơn nhiều so với silicon, germanium và các vật liệu chỉ số phản ứng cao truyền thống khác trong dải này, nơi đặt nền tảng cho việc chuẩn bị các bộ cộng hưởng quang học cực kỳ mỏng. Các nhà nghiên cứu chỉ ra rằng đây là lần thực hiện đầu tiên được báo cáo về một khoang quang điện tử cấu hình với độ dày chỉ hàng chục nanomet trong dải giao tiếp quang học. Sau đó, phổ hấp thụ và bước sóng cộng hưởng của khoang quang cực mỏng được đo bằng độ dày của bismuth telluride. Cuối cùng, ảnh hưởng của độ dày màng bạc đối với phổ trong suốt gây ra điện từ trong các cấu trúc tinh thể/tinh thể quang tử bismuth Telluride được nghiên cứu

Bằng cách chuẩn bị các màng mỏng vùng mỏng diện tích lớn của các 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, một khoang quang phẳng với độ dày chỉ thu được hàng chục nanomet. Khoang quang học 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 giao tiếp 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 gây ra điện từ của hệ thống nguyên tử, cung cấp một phương pháp mới để điều chỉnh phổ cấu trúc vi mô. Nghiên cứu này đóng một vai trò nhất định trong việc thúc đẩy nghiên cứu các vật liệu cách điện tôpô trong quy định ánh sáng và các thiết bị chức năng quang học.