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 điểm 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 được nhiều sự chú ý do các ứng dụng tiềm năng 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, antimony telluride, bismuth selenide, v.v.) là vật liệu thông tin mới có 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 nghịch đảo 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 máy tính lượng tử công suất thấp và các thiết bị spintronic. Đồng thời, vật liệu cách điện tôpô cũng cho thấy các tính chất quang học tuyệt vời, chẳng hạn như chiết suất cao, phi tuyến tính lớnquang 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 điểm 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 có 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 hiệu ứng trong suốt cảm ứng điện từ mới được quan sát thấy trong dải truyền thông quang học, là do sự ghép nối của bộ cộng hưởng với plasmon Tamm và sự giao thoa 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 trước sự thay đổi của chiết suất xung quanh. Công trình này mở ra một cách 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 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 thống nguyên tử.

Vật liệu bismuth telluride được đặc trưng bằng kính hiển vi điện tử truyền qua và phép đo elip. HÌNH 2a-2c cho thấy các ảnh chụp bằng kính hiển vi điện tử truyền qua (hình ảnh có độ phân giải cao) và các mẫu nhiễu xạ điện tử được chọn của các màng nano bismuth telluride. Có thể thấy từ hình ảnh rằng các 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 chiết suất phức tạp của bismuth telluride được đo bằng máy đo elip và trạng thái bề mặt được lắp và chiết suất phức tạp trạng thái. Kết quả cho thấy hệ số tiêu quang của trạng thái bề mặt lớn hơn chiết suất trong phạm vi 230~1930 nm, thể hiện các đặc tính giống kim loại. Chiết suất của vật thể lớn hơn 6 khi bước sóng lớn hơn 1385 nm, cao hơn nhiều so với silicon, germani và các vật liệu có 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 có báo cáo về việc thực hiện khoang quang học phẳng cách điện tôpô có 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, hiệu ứng của độ dày màng bạc đối với phổ độ trong suốt do điện từ gây ra trong các cấu trúc tinh thể nanobismuth telluride/photonic

Bằng cách chuẩn bị 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 thu được. Khoang quang học siêu mỏng 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 bất 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.