Bài Giảng Công Nghệ Nano - Quang Tử Học Nano (Nanophotonics) combo full slides

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI CÔNG NGHỆ NANO QUANG TỬ HỌC NANO Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Việt Hưng (Viện Tiên tiến Khoa học Công nghệ) Nguyễn Bích Huyền (Viện Điện tử-Viễn thơng) Nội dung mơn học • Mở đầu: Giới thiệu môn học, ôn tập số kiến thức cần thiết • Chương 1: Cơ sở lý thuyết Quang tử học nano • Chương 2: Cở sở lý thuyết phân cực plasmon bề mặt • Projects: Tìm hiểu phần mềm OptiFDTD, sử dụng để mơ số tốn cụ thể • Kiểm tra cuối kỳ Tài liệu học tập • Lâm Hồng Thạch, Hoàng Phương Chi, Nguyễn Khuyến, Vũ Văn Yêm, Trường điện từ-Kiến thức tập NXB ĐHBKHN • Vũ Linh, Vật lý điện tử NXBĐHBKHN • GS.TSKH Phan Anh, Trường điện từ truyền sóng NXBKH-KT • S.P Gaponenko, Introduction to Nanophotonics, C.U.P (Cambridge University Press) • M.S.Wartak, Computational Photonics, C.U.P • J.D Joannopoulos, S Johnson, Photonic Crystals-Molding the flow of light, 2nd Edition, Princeton University Press • K.Y Kim, Plasmonics – Principles and Applications, InTech • Software: OptiFDTD http://optiwave.com/category/products/component-design/optifdtd/ • Scientific articles: - Optics Express https://www.osapublishing.org/oe/home.cfm - Arxiv http://arxiv.org/ • Wikipedia, … Chương Quang tử học Nano (Nanophotonics) • Tìm hiểu mơi trường điện mơi có cấu trúc tuần hồn (tinh thể quang tửPhotonic crystal – P.C ) • Nghiên cứu tính chất quang học P.C.: Sự hình thành vùng cấm quang (Photonic band gap) • Nghiên cứu phương pháp điều khiển ánh sáng P.C (gồm trình giam giữ truyền dẫn ánh sáng) Từ dẫn đến ứng dụng quan trọng: (a) Linh kiện quang tử (Photonic Devices) (b) Sợi P.C (Photonic Crystal Fibers) (c) Mạch quang tử tích hợp (Integrated Photonic Circuits) Chương Phân cực plasmon bề mặt (Surface Plasmon Polaritons) • Tìm hiểu trạng thái dao động mật độ điện tử (sóng plasma - plasmon) bề mặt kim loại, phương pháp kích thích plasmon bề mặt ánh sáng • Nghiên cứu trình truyền dẫn, điều khiển plasmon số kim loại, với cấu trúc hình học cụ thể Mở đầu: Lý thuyết Maxwell trường điện từ Maxwell’s equations: Các sóng điện từ We the following transformation: And use the property: Ending up with an equation for electrical field Mơ hình Lorentz Hạn chế lý thuyết Maxwell: Khơng giải thích tính chất quang học phức tạp chất Ví dụ: Hiện tượng tán sắc Lorentz đưa mơ hình đơn giản cấu tạo vật liệu, cho phép giải thích tốt tượng Homework Ôn tập kiến thức trường điện từ: Hệ phương trình Maxwell, lan truyền sóng điện từ Phổ sóng điện từ miền nhìn thấy Ơn tập kiến thức lý thuyết cấu tạo chất: phổ lượng nguyên tử, tính chất điện tử chất rắn (tập trung vào kim loại, điện môi) theo Cơ học lượng tử, tương tác ánh sáng với vật liệu (dựa theo mơ hình Drude-Lorentz) Cài đặt phần mềm OptiFDTD lên máy tính bắt đầu tìm hiểu sở (các file liệu thư mục: Documentations) Ôn tập số kiến thức tính tốn phương pháp số, lập trình tính tốn máy tính Plasmon khối (Bulk plasmon) Dịch chuyển điện tích âm khối kim loại có trường ngồi đặt vào Khi trường ngồi ngắt hệ điện tích âm bị ion dương mạng hút vị trí ban đầu lực Coulomb, tạo dao động (mật độ) hệ điện tích âm khối kim loại Dao động tập thể gọi dao động plasma (hay Plasma khối) Phương pháp kích thích dao động plasma: Dùng chùm electron lượng cao xuyên qua phản xạ khối kim loại Tại vị trí xác định phổ lượng, ta nhận thấy đỉnh cường độ tăng mạnh, ứng với tần số dao động plasma kích thích kim loại Tại tần số này, lượng chùm electron bị suy giảm, truyền sang cho hệ “Plasmon” Plasmon khối có tần số (cực đại) OmegaP (Drude model) Plasmon bề mặt (Surface plasmon) - Kích thích dao dộng tập thể electron xuất bề mặt màng kim loại mỏng Kích thích tập thể lượng tử hóa, lượng tử gọi plasmon bề mặt Phân cực Plasmon bề mặt (Surface plasmon polariton) - Để kích thích plasmon bề mặt, ta sử dụng sóng ánh sáng Biểu diễn trường phân bố điện tích bề mặt tiếp xúc (Điện mơi-kim loại) Trạng thái plasmon kích thích truyền bề mặt tiếp xúc (mô tả hình vẽ) có liên kết chặt chẽ trường phân cực bề mặt kim loại (gây dao động mật độ điện tử) Do kích thích cịn gọi phân cực plasmon bề mặt (surface plasmon polaritons) Hệ thức tán sắc trạng thái phân cực plasmon bề mặt Biểu diễn đường sức điện trường từ trường (mode TM): Biểu thức trường miền z0 (kim loại): Biến đổi trường tuân theo phương trình Maxwell: Điều kiện biên trường mặt tiếp xúc kim loại – điện mơi: Từ phương trình Maxell thứ tư (với số i=m cho kim loại, i=d cho điện môi) Suy ra: Xét thành phần thứ nhất: Kết hợp với điều kiện biên điện trường: Điều kiện biên từ trường: Do ta có liên hệ: Điều kiện cho thành phần vec tơ sóng dọc theo trục Ox: Kết hợp hai hệ thức với biểu thức chung cho liên hệ vec tơ sóng tần số: Ta suy biểu thức cho liên hệ tán sắc vec tơ sóng tần số trạng thái phân cực plasmon bề mặt kim loại – điện mơi: Từ mơ hình Drude cho kim loại, ta có: Nếu xét điện mơi khơng khí: ta rút mối liên hệ tán sắc phân cực plasmon bề mặt sau: Do đường tán sắc khơng khí (đỏ) phân cực plasmon bề mặt (xanh) khơng cắt nên khơng kích thích plasmon! Để kích thích trạng thái này, người ta phải sử dụng mơi trường điện mơi (lăng kính) (tím) để tăng giá trị vectơ sóng k lên (vì có số điện mơi lớn 1) Ví trí cắt ứng với tần số plasmon kích thích Sơ đồ thí nghiệm kích thích Plasmon bề mặt Thí nghiệm minh họa (Xem video) III Một số ứng dụng - Cảm biến phân tử (molecular sensors) - Computer chips - Truyền dẫn thông tin giới hạn nhiễu xạ IV Thực hành với OptiFDTD Thực hành theo ví dụ Bài 15 file Tutorials, Documentations phần mềm OptiFDTD Homework Ôn tập nội dung giảng làm tập lớn kết thúc môn học ... TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI CÔNG NGHỆ NANO QUANG TỬ HỌC NANO Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Bích Huyền (Viện Điện tử- Viễn thông) Nguyễn Việt Hưng (Viện Tiên tiến Khoa học Cơng nghệ) Nội dung giảng. .. Wikipedia, … Chương Quang tử học Nano (Nanophotonics) • Tìm hiểu mơi trường điện mơi có cấu trúc tuần hồn (tinh thể quang tửPhotonic crystal – P.C ) • Nghiên cứu tính chất quang học P.C.: Sự hình... Vật lý điện tử (Vũ Linh) Tiếp tục đọc file liệu thư mục Documentations phần mềm OptiFDTD bước đầu làm quen với giao diện TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI CÔNG NGHỆ NANO QUANG TỬ HỌC NANO Giáo viên