Onderzoek toont aan dat optische excitatie van hete dragers ultrasnelle dynamische controle van plasmonen op nanoschaal mogelijk maakt

Fotonische computers, opslag en communicatie vormen de basis voor toekomstige fotonische chips en volledig optische neurale netwerken. Plasmonen op nanoschaal spelen, met hun ultrasnelle reactiesnelheid en ultrakleine modusvolume, een belangrijke rol bij de integratie van fotonische chips. Vanwege de beperkingen van materialen en fundamentele principes in veel eerdere systemen zijn ze echter vaak incompatibel met bestaande opto-elektronica, en worden hun stabiliteit en bruikbaarheid ernstig aangetast.

Een recent rapport in Nationale wetenschapsrecensie beschrijft onderzoek naar de dynamische en omkeerbare optische modulatie van oppervlakteplasmonen op basis van het transport van hete dragers. Dit onderzoek combineert de snelle respons van metalen nanoplasmonen met de opto-elektronische modulatie van halfgeleiders.

Door de hete elektronen optisch te exciteren, moduleert het de ladingsdichtheid in goud en de geleidbaarheid van de nanogaps, wat uiteindelijk een omkeerbare en ultrasnelle schakeling van de plasmonresonanties mogelijk maakt. Het biedt dus een belangrijk prototype voor opto-elektronische schakelaars in nanofotonische chips.

Dit onderzoek werd geleid door de onderzoeksgroep van professor Ding Tao aan de Wuhan Universiteit, in samenwerking met professor Hongxing Xu, universitair hoofddocent Li Zhou en onderzoeksprofessor Ti Wang, evenals professor Ququan Wang van de Southern University of Science and Technology.

Het onderzoeksteam bereidde eerst Au@Cu voor_2xS core-shell nanodeeltjes en karakteriseerde hun microstructuur. De experimentele resultaten toonden aan dat de sol-gel-methode Au@Cu kan opleveren_2xS core-shell nanodeeltjes met verschillende schaaldiktes, die een ideale drager vormen voor het realiseren van ultrasnelle dynamische controle van plasmonen op nanoschaal. Au@Cu_2xS-nanodeeltjes op verschillende substraten kunnen een ultrasnelle dynamische controle van plasmonen bereiken.

Onder laserbestraling zal de plasmonische resonantiepiek van Au@Cu_2xS nanodeeltjes op de SiO₂/Si-substraat vertoont een rode verschuiving, terwijl de plasmonische resonantiepiek van Au@Cu_2xS-nanodeeltjes op het Au-substraat vertonen een blauwe verschuiving. Wanneer de laser wordt uitgeschakeld, keren de resonantiepieken terug naar hun oorspronkelijke posities. Alle opto-elektronische afstemmingsprocessen hebben omkeerbaarheid, beheersbaarheid en relatief hoge reactiesnelheden getoond.

Transiënte absorptie (TA) spectra en theoretische berekeningen geven aan dat de optische excitatie van de Au@Cu_2xDe S-plasmonische composietstructuur kan ervoor zorgen dat de hete elektronen in Au overgaan naar Cu_2xS, wat leidt tot een afname van de elektronendichtheid van Au en een rode verschuiving van de gelokaliseerde oppervlakteplasmonresonantie (LSPR).

Wanneer daarentegen de Au@Cu_2xS wordt op een Au-substraat (NPoM-structuur) geplaatst, de hete elektronen kunnen door het Cu worden getransporteerd_2xS-laag op het Au-substraat, waardoor de geleidbaarheid van de nanogap toeneemt en een blauwe verschuiving van de gekoppelde plasmonpolaritonen ontstaat. Deze plasmonische controlestrategie, gebaseerd op hot carrier-transport, is bijzonder geschikt voor de integratie van opto-elektronische apparaten, waardoor prototypen van apparaten worden opgeleverd voor fotonisch computergebruik en interconnectie.