Физики из МФТИ и Физического института им. П. Н. Лебедева РАН предложили новую конструкцию оптических антенн для нанофотонных устройств - на основе серебряных наночастиц и кадмиевых квантовых точек, которые испускают более яркое люминесцентное излучение и при этом обладают меньшим временем реакции. Кроме того, ученые предложили новый способ получения микроизображений антенн, позволяющий обойтись без использования метода "темного поля".
Современная электроника основана на использовании электронов в качестве носителей информации, однако классические медные провода и дорожки на чипах уже не могут передавать информацию с достаточной для современных процессоров скоростью. Переход от электронов к фотонам может решить эту проблему. Нанофотонные устройства представляют интерес для применения в области цифровых технологий - в крупных дата-центрах, для мобильных сенсорных устройств, а также для аналоговых оптических сопроцессоров. Ключевой компонент таких устройств - наноантенна, способная принимать излучение определенной длины волны и преобразовывать его - менять частоту, амплитуду или направление.
В 1985 году Джон Вессель показал, что в качестве наноантенны можно использовать металлическую наночастицу. Дальнейшее развитие технологии привело к созданию нанопатч-антенн. Название "патч" происходит от английского "заплатка" - металлические наночастицы располагаются на металле, покрытом слоем диэлектрика, как заплатки на ткани (рисунок 1).
Под действием внешнего электромагнитного поля электроны в наночастице смещаются, образуя на краю частицы отрицательный заряд, противоположный край при этом приобретает положительный заряд, частица поляризуется.
При этом возникает электромагнитное поле, направленное противоположно внешнему, которое колеблется в такт с падающей на частицу электромагнитной волной. Эти колебания физики описывают с помощью специальной квазичастицы - плазмона. Если частота волны не превышает определенного значения, внутреннее поле "экранирует" наночастицу от внешнего, падающая волна отражается - отсюда и характерный блеск, которым обладают металлы. Если же частота выше, электроны "не успеют" среагировать - волна поглотится или рассеется. Как и в любых колебаниях, у нас есть частота вынуждающего излучения, при которой амплитуда максимальна, - частота плазмонного резонанса.
Физики из лаборатории технологий 3D-печати функциональных микроструктур МФТИ с коллегами разработали конструкцию нанопатч-антенны, которая позволила сократить паузу между облучением и люминесцентным ответом в 60 раз (с 12 наносекунд до 0,2) и увеличить интенсивность излучения в 330 раз.
Кроме того, ученые предложили новый способ оптического исследования структуры нанопатч-антенн, основанный на перестройке длины волны лазерного излучения. Традиционный подход подразумевает использование метода "темного поля", когда образец подсвечивается "сбоку", так что изображение формируется рассеянным на нем светом. Основной минус темнопольной микроскопии - подсветка в широком спектральном диапазоне, при этом фокусное расстояние для разных длин волн будет разным, а изображение будет получаться размытым. Кроме того, если в основном наблюдение объекта ведется в светлом поле, перестраиваться в темное поле долго и неудобно.
Предложенный авторами метод лишен этих недостатков - он основан на том, что наночастица на металле поглощает падающее излучение с частотой, близкой к частоте плазмонного резонанса, поэтому на изображении частица будет выглядеть темным пятном. Длина волны, при которой происходит плазмонный резонанс, в серебряной наночастице на алюминии около 700 нм, поэтому при длине волны лазера в 650 нм картинка получается более четкой.
Работа опубликована в журнале Nanotechnology. Исследование поддержано Российским фондом фундаментальных исследований.
Рисунок 1. (а, с) схематическое устройство нанопатч-антенны. На стекло нанесен слой металла — алюминия, который, окисляясь, покрывается пленкой Al2O3, являющегося диэлектриком. Далее нанесен слой квантовых точек — небольших кристаллов сульфида или селенида кадмия, способных под воздействием электромагнитного излучения испускать свет определенной длины волны. Выше расположены кубические наночастицы серебра размером 80 нм. Источник: Nanotechnology
Рисунок 2. Возбуждение локального поверхностного плазмонного резонанса электрическим полем (А) и распределение интенсивности поля вокруг наночастицы с возбужденным плазмоном (Б). Источник: «Успехи биологической химии», т. 55, 2015, с. 391–420, «Детекция межмолекулярных взаимодействий, основанная на регистрации поверхностного плазмонного резонанса», Д. В. Сотников, А. В. Жердев, Б. Б. Дзантиев
Рисунок 1
Рисунок 2