Onderzoekers demonstreren praktische metalen nanostructuren

Onderzoekers van de Universiteit van Ottawa hebben de tien jaar oude mythe dat metalen nutteloos zijn in fotonica – de wetenschap en technologie van licht – ontkracht met hun bevindingen, die onlangs zijn gepubliceerd in Natuurcommunicatie, zal naar verwachting leiden tot veel toepassingen op het gebied van nanofotonica.

“We hebben het record gebroken voor de resonantiekwaliteitsfactor (Q-factor) van een periodieke reeks metalen nanodeeltjes met een orde van grootte in vergelijking met eerdere rapporten,” zei senior auteur Dr. Ksenia Dolgaleva, Canada Research Chair in Integrated Photonics (Tier 2 ) en universitair hoofddocent aan de School of Electrical Engineering and Computer Science (EECS) aan de Universiteit van Ottawa.

“Het is een bekend feit dat metalen zeer verliesgevend zijn wanneer ze in wisselwerking staan ​​met licht, wat betekent dat ze de dissipatie van elektrische energie veroorzaken. De hoge verliezen brengen hun gebruik in optica en fotonica in gevaar. We hebben ultrahoge Q-resonanties aangetoond in een metasurface (een kunstmatig gestructureerd oppervlak) bestaande uit een reeks metalen nanodeeltjes ingebed in een vlak glazen substraat. Deze resonanties kunnen worden gebruikt voor efficiënte lichtmanipulatie en verbeterde licht-materie-interactie, wat aantoont dat metalen nuttig zijn in fotonica. “

“In eerdere werken probeerden onderzoekers het nadelige effect van verliezen te verzachten om toegang te krijgen tot gunstige eigenschappen van metalen nanodeeltjesmatrices”, merkte de co-hoofdauteur van de studie Md Saad Bin-Alam, een uOttawa-doctoraatsstudent in EECS, op.

“ Hun pogingen leverden echter geen significante verbetering op in de kwaliteitsfactoren van de resonanties van de arrays. We implementeerden een combinatie van technieken in plaats van een enkele benadering en bereikten een verbetering van orde van grootte die een array van metalen nanodeeltjes (metasurface) demonstreerde. met een recordhoge kwaliteitsfactor. “

Volgens de onderzoekers hebben gestructureerde oppervlakken – ook wel metasurfaces genoemd – veelbelovende perspectieven in een verscheidenheid aan nanofotonische toepassingen die nooit kunnen worden onderzocht met traditionele natuurlijke bulkmaterialen. Sensoren, nanolasers, lichtbundelvorming en besturing zijn slechts enkele voorbeelden van de vele toepassingen.

“Metasurfaces gemaakt van edelmetaal nanodeeltjes – goud of zilver bijvoorbeeld – hebben een aantal unieke voordelen ten opzichte van niet-metalen nanodeeltjes. Ze kunnen licht beperken en beheersen in een volume op nanoschaal dat minder is dan een kwart van de golflengte van licht (minder dan 100 nm). , terwijl de breedte van een haar meer dan 10.000 nm is), ”legt Md Saad Bin-Alam uit.

“Interessant is dat, in tegenstelling tot niet-metalen nanodeeltjes, het licht niet opgesloten of gevangen zit in de metalen nanodeeltjes, maar dicht bij hun oppervlak geconcentreerd is. Dit fenomeen wordt wetenschappelijk ‘gelokaliseerde oppervlakplasmonresonanties (LSPR’s)’ genoemd. Deze eigenschap geeft een grote superioriteit. vergeleken met metalen nanodeeltjes in vergelijking met hun diëlektrische tegenhangers, omdat men dergelijke oppervlakteresonanties zou kunnen benutten om bio-organismen of moleculen in de geneeskunde of chemie te detecteren. Dergelijke oppervlakteresonanties zouden ook kunnen worden gebruikt als het feedbackmechanisme dat nodig is voor laserversterking. men kan een minuscule laser op nanoschaal realiseren die kan worden gebruikt in veel toekomstige nanofotonische toepassingen, zoals lichtdetectie en bereikbepaling (LiDAR) voor de detectie van verre objecten. “

Volgens de onderzoekers is de efficiëntie van deze toepassingen afhankelijk van de resonerende Q-factoren.

“Helaas, vanwege het hoge ‘absorberende’ en ‘stralingsverlies’ in metalen nanodeeltjes, zijn de Q-factoren van de LSPR’s erg laag ”, zei co-hoofdauteur Dr. Orad Reshef, een postdoctoraal onderzoeker bij de afdeling Fysica van de universiteit. van Ottawa.

“Meer dan een decennium geleden vonden onderzoekers een manier om het dissipatieve verlies te verminderen door de nanodeeltjes zorgvuldig in een rooster te rangschikken. Uit dergelijke ‘surface lattice’-manipulatie ontstaat een nieuwe’ surface lattice resonance (SLR) ‘met onderdrukte verliezen. werk, was de maximale Q-factor die werd gerapporteerd in spiegelreflexcamera’s ongeveer een paar honderd. Hoewel dergelijke vroege gerapporteerde spiegelreflexcamera’s beter waren dan de lage Q LSPR’s, waren ze nog steeds niet erg indrukwekkend voor efficiënte toepassingen. Het leidde tot de mythe dat metalen niet bruikbaar zijn voor praktische toepassingen. “

Een mythe die de groep tussen 2017 en 2020 wist te deconstrueren tijdens haar werk aan het Advanced Research Complex van de Universiteit van Ottawa.

“In eerste instantie hebben we numerieke modellen gemaakt van een gouden nanodeeltjes meta-oppervlak en waren verrast om kwaliteitsfactoren van enkele duizenden te verkrijgen”, zei Md Saad Bin-Alam, die in de eerste plaats de meta-oppervlaktestructuur ontwierp.

“Deze waarde is nooit experimenteel gerapporteerd, en we hebben besloten te analyseren waarom en een experimentele demonstratie van zo’n hoge Q te proberen. We hebben een zeer hoge Q-spiegelreflexcamera met een waarde van bijna 2400 waargenomen, dat is minstens 10 keer groter dan de grootste SLR’s Q meldde eerder. “

Een ontdekking die hen deed beseffen dat er nog veel te leren is over metalen.

“Ons onderzoek bewees dat we nog lang niet alle verborgen mysteries van metalen (plasmonische) nanostructuren kennen”, concludeerde Dr. Orad Reshef, die het meta-oppervlakmonster vervaardigde. “Ons werk heeft een mythe van tien jaar ontkracht dat dergelijke structuren niet geschikt zijn voor optische toepassingen in het echte leven vanwege de hoge verliezen. We hebben aangetoond dat het resultaat aanzienlijk kan worden verbeterd door de nanostructuur goed te ontwerpen en zorgvuldig een experiment uit te voeren. “

Het artikel “Ultra-high-Q resonances in plasmonic metasurfaces” is gepubliceerd in Nature Communications​