Plasmonics và ứng dụng trong chế tạo thiết bị dẫn sóng Plasmon

-1- BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH ====== NGUYỄN THỊ THU HƯƠNG PLASMONICS VÀ ỨNG DỤNG TRONG CHẾ TẠO THIẾT BỊ DẪN SÓNG PLASMON \ LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ NGHỆ AN, 2015 i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH Trang phụ bìa NGUYỄN THỊ THU HƯƠNG PLASMONICS VÀ ỨNG DỤNG TRONG CHẾ TẠO THIẾT BỊ DẪN SÓNG PLASMON CHUYÊN NGÀNH: QUANG HỌC Mã số: 60 44 01 09 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Cán bộ hướng dẫn: PGS TS NGUYỄN HỒNG QUẢNG NGHỆ AN, 2015 ii Lời cảm ơn Bản luận văn hoàn thành nhờ trình nỗ lực thân hướng dẫn tận tình thầy giáo PGS TS Nguyễn Hồng Quảng Thầy đặt toán, tận tình hướng dẫn, quan tâm, động viên giúp đỡ tác giả suốt thời gian hoàn thành luận văn Đối với tác giả, học tập nghiên cứu hướng dẫn thầy niềm vinh dự lớn lao Nhân dịp này, xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo PGS TS Nguyễn Hồng Quảng giúp đỡ quý báu nhiệt tình Tôi xin phép cảm ơn thầy cô tham gia giảng dạy, đào tạo lớp Quang học 21, cảm ơn Ban chủ nhiệm khoa Vật lý Công nghệ, Phòng đào tạo sau đại học, Ban lãnh đạo Trường Đại học Vinh, Ban lãnh đạo Trường Đại học Kinh tế – Kỹ thuật Long An tạo điều kiện thuận lợi cho trình học tập, nghiên cứu sở đào tạo Tôi bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp anh, chị học viên lớp Cao học 21 – chuyên ngành Quang học Trường Đại học Kinh tế – Kỹ thuật Long An động viên, giúp đỡ suốt trình học tập Xin chân thành cảm ơn ! Tác giả Mục lục Trang phụ bìa i Lời cảm ơn ii Mục lục MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ PLASMON 1.1 Giới thiệu plasmon 1.2 Phạm vi ứng dụng 1.3 Một số ứng dụng Plasmonics 10 1.3.1 Chip Plasmon 10 1.3.2 Tạo ta nguồn sáng 11 1.3.3 Quang khắc nano 14 CHƯƠNG ỨNG DỤNG TRONG CHẾ TẠO ỐNG DẪN SÓNG PLASMON 18 2.1 Ống dẫn sóng (waveguide) 18 2.1.1 Tổng quan 18 2.1.2 Vai trò ống dẫn sóng thông tin quang 23 2.2 Ứng dụng plasmon chế tạo thiết bị dẫn sóng điện từ 28 2.2.1 Chế tạo thiết bị dẫn sóng Plasmon 28 2.2.2 Ứng dụng plasmon chế tạo ống dẫn sóng 29 KẾT LUẬN 44 Tài liệu tham khảo 47 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Như ta biết ngành điện tử học (Electronics) ngành công nghệ nghiên cứu vật liệu, thiết bị, linh kiện liên quan đến điện tử (electron), ngành quang tử học (Photonics) tập trung nghiên cứu vật liệu, thiết bị linh kiện liên quan đến hạt ánh sáng (photon) Đến lĩnh vực đạt thành tựu định, góp phần nâng cao chất lượng sống người toàn giới Tuy nhiên, với nhu cầu người khoa học kỹ thuật ngày cao, đặc biệt nhu cầu trao đổi thông tin Mặc khác, kỹ thuật truyền thông tin kỹ thuật số có yêu cầu thông tin phải truyền ngày nhanh hơn; khối lượng thông tin ngày lớn hơn, khoảng cách truyền ngày xa hơn, chất lượng thông tin ngày xác, trung thực Để đáp nhu cầu ngày cao yêu cầu ngày khắt khe đó, nhà khoa học không ngừng nghiên cứu, nhằm tìm giải pháp tối ưu Để làm điều đó, mặt người ta tìm cách thu nhỏ kích thước linh kiện Mặt khác, người ta tăng tốc độ xử lý tín hiệu Tuy nhiên, thu nhỏ kích thước trễ thời gian việc truyền tín hiệu mạch điện tử tăng lên; tốc độ xử lý tăng thời gian xung nhịp giảm xuống kết độ trễ trở thành vấn đề lớn Hậu khả tích hợp linh kiện quang tử thành “chip” giống mạch tích hợp điện tử (IC) gặp trở ngại Ngoài ra, quang học ta biết “giới hạn nhiễu xạ”, nghĩa kích thước linh kiện nhỏ đến mức tượng nhiễu xạ xảy Điều không cho phép giảm kích thước linh kiện đến giới hạn nhiễu xạ (tùy thuộc vào tần số, hay bước sóng ánh sáng truyền qua) Nói cách khác, khả thu nhỏ kích thước linh kiện, hay tăng số lượng linh kiện thiết bị vĩ mô bị giới hạn Để vượt qua giới hạn đó, Plasmonics cung cấp giải pháp khả quan Thay dùng electron linh kiện điện tử hay photon linh kiện quang tử, người ta dùng hạt “plasmon” Plasmon lượng tử hóa plasma điện tử dao động (plasma oscillation) Plasmon có dạng giả hạt, tương tự photon, plasmon kết lượng tử hóa dao động mạng tinh thể Sự phát plasmon, với đời Plasmonics – ngành khoa học công nghệ liên quan đến việc chế tạo, mô tả, đo đếm, xử lý… plasmon, tạo sóng bùng nổ giới năm gần Đặc biệt plasmon bề mặt kim loại, với khả kết hợp với photon tới, tạo thành giả hạt gọi SPP (surface plasmon polariton) Số lượng công trình khoa học liên quan đến SPP tăng theo hàm mũ năm gần (Hình 1) Điều cho thấy sức hấp dẫn lĩnh vực đầy mẻ, thú vị Số viế t Năm Hình - Số lượng công trình nghiên cứu liên quan đến SPP từ 1955 đến 2005 Plamon có nhiều ứng dụng tiềm năng, số ứng dụng mà thể kể đến ứng dụng chế tạo chíp plasmon (Plasmonic chip), nguồn phát quang (Light Generator), quang khắc nano (Nanolithography) hay thiết bị dẫn sóng plasmon Nghiên cứu plasmon, đặc biệt SPP khả ứng dụng SPP công nghệ truyền thông tin quang, cụ thể thiết bị dẫn sóng nhiều nhóm nghiên cứu triển khai thể Tùy thuộc vào hình dạng, kích thước chất liệu tạo nên plasmon khác mà thiết bị dẫn sóng plasmon có đặc tính khác phạm vi ứng dụng khác Trong phong phú hình dạng hình học chất liệu nguồn đề tài để nghiên cứu khám phá Để nâng cao kiến thức lĩnh vực mẻ, hấp dẫn photonics, đặc biệt plasmonics, chọn đề tài “Plasmonics ứng dụng chế tạo thiết bị dẫn sóng plasmon” cho luận văn cao học Mục đích đề tài Thông qua việc thực đề tài, tác giả có hội tìm hiểu làm giàu thêm kiến thức quang học, quang tử học đại đặc biệt photonics plasmonics Áp dụng kiến thức có vào giảng dạy vật lý phổ thông Góp phần giải thích thành tựu khoa học kỹ thuật đại giải thích nhiều tượng vật lý nói chung quang học nói riêng Mục tiêu Có kiến thức sâu sắc quang tử học từ giải thích nhiều tượng quang học phi tuyến như: tương tác ánh sáng với vật chất, trình truyền thông tin số cáp quang, hiệu ứng xảy môi trường đặc biệt,… Thu thập kiến thức chuyên sâu quang học đại Giải thích tượng quang học thực tế Nội dung nghiên cứu Kiến thức chung, tổng quát quang tử học (Photonics) Plasmonics Tập trung sâu khả ứng dụng plasmonics chế tạo thiết bị dẫn sóng plasmon Phương pháp nghiên cứu Đọc, tìm hiểu, tham khảo tài liệu plasmonic, ứng dụng plasmonic, đặc biệt chế tạo thiết bị dẫn sóng CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ PLASMON 1.1 Giới thiệu plasmon Plasmon lượng tử hóa dao động lớp điện tử bề mặt (gọi plasma oscillation) Plasmon kết hợp (cộng hưởng) với sóng điện từ để tạo dạng giả hạt khác polariton Ta hiểu khái niệm plasmon bề mặt dao động điện tử tự bề mặt hạt nano với kích thích ánh sáng tới Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt kích thích electron tự bên vùng dẫn, dẫn tới hình thành dao động đồng pha Khi kích thước tinh thể nano nhỏ bước sóng xạ tới, tượng cộng hưởng plasmon bề mặt xuất Khi tần số photon tới cộng hưởng với tần số dao động electron tự bề mặt, xuất hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt Kim loại có nhiều điện tử tự do, điện tử tự dao động tác dụng điện từ trường bên ánh sáng Thông thường, dao động bị dập tắt nhanh chóng sai hỏng mạng hay nút mạng tinh thể kim loại quãng đường tự trung bình điện tử nhỏ kích thước hạt nano Nhưng kích thước hạt nano nhỏ quãng đường tự trung bình điện tử tượng dập tắt không mà điện tử dao động cộng hưởng với ánh sáng kích thích Khi dao động vậy, điện tử phân bố lại hạt nano làm cho hạt nano bị phân cực điện tạo thành lưỡng cực điện (hình 1.1) Dao động lưỡng cực điện tử hình thành với tần số f định Hạt nano kim loại trơ có tần số cộng hưởng dải ánh sáng nhìn thấy Một ví dụ minh hoạ cho tượng chén có hình vua Lycurgus trưng bày Bảo tàng Anh có niên đại kỷ thứ tư Cái chén có mày xanh lục khi ta chiếu ánh sáng thừ phía có màu đỏ ta chiếu ánh sáng từ phía chén hình (1.2) [10] Hình 1.1 – Lưỡng cực điện hạt nano a) b) Hình 1.2 – Cái chén hình vua Lycurgus phản chiếu màu sắc khác chiếu ánh sang từ phía chén (a) từ phía chén (b) [10] 1.2 Phạm vi ứng dụng Các mạch điện giúp điều khiển trình vận chuyển lưu trữ electron Tuy nhiên, hiệu suất mạnh điện tử tương đối hạn chế áp dụng việc gửi thông tin số từ vị trí đến vị trí khác Photonics giải pháp tối ưu cho vấn đề truyền thông tin thông qua 35 Đặc biệt, (hình 2.4 g) cho thấy khả hội tụ mode bước sóng mạnh - nhỏ 10 lần vac Ống dẫn sóng lai hóa hình thành dây nano điện môi liên kết với bề mặt kim loại hình (2.4 h) tạo khả hội tụ mode đáng kể (đặc biệt theo hướng thẳng đứng) khoảng cách dây nano bề mặt giảm Điều dẫn đến tiêu tán mode tương đối thấp, hoạt động hiệu nhiều so với cấu hình dẫn plasmon khác xét theo khoảng cách lan truyền diện tích mode tương đương Một triển vọng ống dẫn sóng bước sóng plasmon khả tập trung (hội tụ) lượng ánh sáng vào khu vực có kích thước nano nhỏ khoảng vào nano mét Thông thường, tượng hội tụ nano plasmon đạt dùng cấu trúc dẫn sóng kim loại hình côn chẳng hạn kiêm loại hình côn, nêm kim loại nhọn phần thon nhọn màng kim loại đế điện môi, khe nano nhọn hai môi trường kim loại Hội tụ nano Plasmon xảy chế độ đoạn nhiệt không đoạn nhiệt Trong phép gần đoạn nhiệt (hay quang hình học) cấu trúc hội tụ nano có độ thon nhọn (góc côn đủ nhỏ) để mode SPP lan truyền không phản xạ đáng kể từ Ví dụ, vac = 632,8 nm vàng thon nhọn môi trường chân không, phép gần đoạn nhiệt áp dụng cho gốc côn lên đến 350 Nếu góc côn tăng thêm nữa, phản xạ plasmon vào côn mạnh, đòi hỏi phải phân tích phương pháp số chặt chẽ Trong trường hợp này, tồn góc côn tối ưu để đạt độ tăng cực đại gần mũi cấu trúc hội tụ, chiều dài tối ưu côn Các nhà nghiên cứu xây dựng phương pháp giải tích dựa phương pháp tách biến phương pháp nhiễu loạn đế nghiên cứu tượng hội tụ nano plasmon hình nón cấu trúc dạng nêm Phương 36 pháp xác định gần nghiệm plasmon giải tích bán giải tích cấu trúc kim loại hình côn chế độ phi đoạn nhiệt Hình 2.6 - Cấu trúc thực nghiệm có khả đạt đến khả hội tụ nano a): Thanh vàng hình côn với một bộ ghép cách tử để tạo plasmon hội tụ nano bước sóng -780-800 nm b): Một phần nhọn màng vàng đế sapphire; mode dải bị hội tụ nano gần mũi côn c), d): Triển khai thực nghiệm hội tụ nano rãnh thon nhọn để chứng minh mô hình lý thuyết ghép plasmon, lan truyền tăng cường rãnh thon nhọn chế tạo (c), ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM) tiết diện rãnh hình chữ V điển hình d): Rãnh có phần rộng để 'bắt' chùm tia tới, vùng dưới hẹp nơi diễn trình hội tụ nano e): Ảnh quang học trường gần ( vac = 1.500 nm) cho thấy tăng cường tín hiệu đáng kể bốn côn rãnh (một “giá đỡ nến” plasmon) với độ sâu góc côn giảm dần Hình nhỏ, ảnh SEM bộ tách chùm Y dài µm kết thúc côn dài µ m f): Ảnh SEM rãnh chữ V với góc rãnh giảm theo hướng phía đầu côn (đỉnh) [5] 37 Cho đến nay, tăng trường cục mạnh (lên đến gần 2000 lần) cấu trúc hội tụ nano xảy kim loại hình côn Các khe hình nêm khe hình côn hiệu mặt này, tăng cường trường cục đến 10-100 lần với mũi có bán kính vài nano mét Tất cấu trúc hội tụ nano (ngoại trừ nêm) có khả hội tụ trường vùng nhỏ cỡ vài nano mét, bị giới hạn tán sắc không gian cấu trúc nguyên tử vật chất Nêm thường cho độ hội tụ yếu vùng lớn cỡ 10-20 nm Việc tăng cường trường cục cấu trúc hội tụ nano chịu ảnh hưởng mạnh điều kiện mũi bán kính mũi Chẳng hạn, việc giảm bán kính mũi từ 10 nm đến nm vàng hình côn có góc côn gần 350 (tối ưu cho vac = 632,8 nm) làm tăng trường cục mũi từ 200 đến 1.600 lần Một số nhà nghiên cứu khẳng định quan sát tượng hội tụ nano plasmon nhiều cấu trúc nano kim loại Ví dụ, mode SPP tạo bề mặt vàng hình côn ghép cách tử (hình 2.6 a) Người ta quan sát thấy xạ lưỡng cực mạnh đáng kể phát từ mũi, với độ phân cực phân bố góc chứng tỏ tạo plasmon-polariton từ ngang hội tụ nano cực mạnh Hội tụ nano plasmon khe thon nhọn phát phân tích bước sóng 1.53 µm Cấu trúc sử dụng nghiên cứu (hình 2.6 d) rãnh kim loại có hai phần thon nhọn: gần 70.60 (phần đầu vào để ghép trực tiếp ánh sáng tới vào rãnh) gần 170 (phần đầu thấp hơn, nơi xảy tượng hội tụ nano) Các phép đo công suất trường xa từ phần đầu cho phép xác định cường độ ánh sáng (và độ tăng cường trường) phần hẹp khe hình côn Do đó, trường plasmon tập trung (hội tụ nano) vào vùng nhỏ cỡ vac / 40, với độ tăng cường trường cục 10 (theo độ tăng cường độ trường điện phần thấp khe) Trong phương pháp tiếp cận khác (hình 2.6 e, f), hội tụ nano plasmon 38 thực mode CPP truyền dọc theo rãnh tam giác có độ sâu góc tăng dần Trong trường hợp này, tăng dần độ hội tụ mode CPP tương đương với hội tụ hai chiều sóng, điều dẫn đến tăng trường cục cách đáng kể dọc theo côn (gần 90 lần, đo bình phương biên độ côn dài) Sự đơn giản quy trình chế tạo cho phép xét thêm số cấu trúc hội tụ nano phức tạp chẳng hạn tách Y, cho nhiều đầu tăng cường (ình 2.6 e) Việc thực hóa tiềm to lớn mạch nano photonic SPP phụ thuộc vào phương hướng giải quyến số vấn đề nghiêm trọng, chẳng hạn ghép hiệu với ống dẫn sóng kích thước nano thực thành phần chức giới hạn bị chi phối tổn hao lan truyền SPP tránh khỏi Để ghép plasmon cách hiệu người ta ghép với xạ đầu vào, truyền tự từ nguồn laser đươc phân phối từ sợi quang vào ống dẫn sóng SPP kích thước nano thách thức lệch mode lớn Người ta áp dụng chiến lược ghép tổng quát dùng cấu hình thon nhọn tương tự cấu hình dùng hội tụ nano plasmon, cho kích thích có hiệu mode SPP thích hợp Nhiều phương pháp ghép khác xây dựng khai thác cho ống dẫn sóng có hình dạng khác Trong trường hợp dây nano, phương pháp đơn giản hội tụ chùm laser mặt cuối dây nano, đầu tán xạ ánh sáng tới theo hướng Nếu xạ tới phân cực dọc theo trục dây nano, laser kích thích mode dây nano SPP cách cung cấp vector sóng bổ sung (động lượng) để khớp với mode SPP Mode lan truyền đến đầu dây nano bị tán xạ phần vào không gian tự do, giúp quan sát kích thích mode Người ta chứng minh mode kích thích xạ hội tụ bề mặt dây nano mịn xạ tới phân cực vuông góc 39 với trục dây nano, điều thể tầm quan trọng khớp pha (vector sóng) khớp trường Tương tự, kích thích ống dẫn sóng đặt xạ có chế độ phân cực thích hợp chiếu vào đối tượng không đồng có kích thước nano (chẳng hạn khuyết tật, chỗ cong chỗ giao nhau) ống dẫn sóng, hạt nano đặt gần dây nano Gần đây, người ta chứng minh phân phối xạ đến mặt cuối dây nano qua ống dẫn sóng điện môi hướng vuông góc với trục dây nano để tạo phân cực mode cần thiết, ưu điểm kích thích đồng thời nhiều dây nano Việc kích thích hiệu mode SPP dây nano thách thức nghiêm trọng Nguyên nhân đối xứng trường mode này: thành phần điện trường phân cực xuyên tâm, vậy, xạ tới (thường phân cực tuyến tính) ghép vào dây nano thông qua thành phần trường dọc song song với trục dây nano Trái lại, trường CPP bị phân cực tuyến tính (vuông góc với mặt rãnh), cho phép sử dụng kích thích end-fire trực tiếp hiệu với sợi quang đơn mode trì độ phân cực hình côn Cuối cùng, cần lưu ý theo dự đoán, hiệu suất ghép lên đến 70% trình ghép end-fire ống dẫn sóng điện môi tương phản chiết suất cao ống dẫn sóng SPP khe (mode tương tự CPP tính chất phân cực) Việc triển khai thiết bị nano photonic SPP gặp khó khăn khác quy trình chế tạo tốn nhiều khó khăn, đến thời điểm dây nano chế tạo phương pháp hóa học, điều khiển tô pô chúng dạng tổn hao lan truyền tránh khỏi tăng nhanh theo tăng kích thước mode plasmon Lưu ý hình dạng mode giam cầm xác định tổn hao cong khoảng cách tối thiểu ống dẫn sóng, có vai trò vô quan trọng việc thu nhỏ kích thước thành phần ống dẫn sóng Chẳng hạn, thông qua mô số người ta chứng minh SPP khe giam cầm mạnh thích hợp cho việc thiết kế mạch 40 photonic kích thước nano (được hình thành khe bạc-không khí-bạc có độ rộng thay đổi) dùng việc phân nhánh hiệu nhiều cổng khu vực nhỏ hơn….Các thiết kế cong 90° gần không tổn hao giao thoa kế Fabry-Pérot kích thước nano dựa dẫn CPP rãnh bạc dạng hình chữ V đề xuất sở mô số Hình 2.7 –Dẫn sóng plasmon quanh chỗ cong mạnh a): Cấu trúc dẫn sóng dưới bước sóng hình chữ V có vị trí cong 90° b): Ảnh nhìn từ phân bố trường CPP cách đáy rãnh V bạc 60 nm Góc rãnh 30 ° bước sóng 633 nm c), d): Một rãnh V vàng có độ cong lớn, biểu diễn ảnh kính hiển vi điện tử với ảnh biên dạng rãnh (c), ảnh quang học trường gần vac = 1.600 nm ( d) [5] Sự lan truyền mode xung quanh chỗ cong rõ nét phát mặt thực nghiệm dây nano bạc hỗ trợ SPPs hình trụ rãnh vàng hình chữ V dẫn CPPs (hình 2.7 c,d) Hơn nữa, tiềm to lớn hiệu ứng giam cầm mode bước sóng chứng minh thông qua việc sử dụng thành phần ống dẫn sóng CPP chẳng hạn giao thoa kế MachZehnder buồng cộng hưởng vòng, ghép kênh xen rẽ 41 cách tử Bragg, đối tương có kích thước nhỏ nhiều thiết bị plasmon dựa cấu hình ống dẫn sóng SPP giới hạn nhiễu xạ [8], [9] Trong kỹ thuật dẫn sóng bước sóng, cần ý đến đại lượng quan trọng độ chọn lọc bước sóng δλ có tượng tổn hao kèm Biểu thức δλ/λ ~ 0.5λsp/Lsp, λsp bước sóng SPP cho thấy độ chọn lọc bước sóng giảm tổn hao tăng (tức độ dài lan truyền Lsp giảm) Chẳng hạn, người ta thiết kế buồng cộng hưởng vòng CPP bước sóng viễn thông (~1.5 µm) để đóng vai trò chuyển mạch trạng thái mở (truyền qua) đóng (hấp thụ) điều chỉnh bước sóng lượng 22.5 nm, với điều kiện chu vi vòng LSP khoảng 50 µm.Thực sự, thí nghiệm cho thấy buồng cộng hưởng vòng bán kính chuyển qua lại hai trạng thái truyền qua điều chỉnh bước sóng 20 nm (hình 2.8) Hình 2.8 - Buồng cộng hưởng vòng dẫn sóng plasmon a), b): buồng cộng hưởng vòng ống dẫn sóng bán kính 10 µm, biểu diễn ảnh SEM (a), ảnh quang học trường gần vac = 1,500 nm (b) c): Phổ truyền qua buồng cộng hưởng vòng ống dẫn sóng xác định thực nghiệm thông qua ảnh quang học trường gần (giống b) dùng phương pháp khớp giải tích 42 Các sai số tính từ độ biến thiên cực đại đầu chuẩn hóa ứng với vị trí khác dọc theo các kênh đầu vào đầu [5] Ăng ten nano plasmon: Cơ chế vật lý thành phần nanophotonic SPP xét quan trọng trình thiết kế thực thi ăng ten buồng cộng hưởng nano, thành phần plasmon cô lập tích hợp vào mạch nanophotonic để tạo điều kiện cho việc ghép phát plasmon Ý tưởng khai thác cộng hưởng hiệu ứng trễ mode SPP tầm ngắn bị giam cầm kích thước nano nên bị phản xạ mạnh phần giới hạn cấu trúc nano dẫn sóng (chẳng hạn dải, khe kim loại-điện môi-kim loại dây) Do đó, cấu trúc nano đóng vai trò buồng cộng hưởng FabryPerot với điều kiện cộng hưởng L(2π/λsp) = mπ –φ (trong L độ dài cấu trúc nano vàφ pha phản xạ) Tùy thuộc vào tính chất đối xứng cụ thể mode SPP, cấu trúc nano độ dài hữu hạn cộng hưởng có phân bố trường giống lưỡng cực điện (dải dây) lưỡng cực từ (khe), có tính tán xạ mạnh (giống ăng ten) tính chất cộng hưởng Trong hai trường hợp, bước sóng SPP ngắn có khuynh hướng tiến tới không độ rộng cấu trúc giảm, thiết kế ăng ten buồng cộng hưởng nano có kích thước nhỏ cỡ vài nano mét (chỉ giới hạn cấu trúc nguyên tử vật chất tán sắc không gian), có khả hoạt động bước sóng Về mặt thực nghiệm, nhà nghiên cứu quan sát cộng hưởng quang học dây nano kim loại, buồng cộng hưởng dạng khe dải nano, ăng ten cho nguyên nhân dạng sóng dừng hình thành mode SPP truyền ngược chiều Tầm quan trọng việc xác định xác thay đổi pha, trình phản xạ chứng minh Các ăng ten nano plasmon thiết kế thích hợp có khe để tăng cường trường cục (do điều kiện biên) tận dụng 43 để tập trung phát xạ khu vực có kích thước nano, qua cho phương pháp để phát cực nhanh Nano plasmonics trạng thái hoạt động: Để hoàn chỉnh, phải tích hợp vào mạch plasmon thành phần hoạt động nhằm tạo mode SPP thích hợp, điều biến pha biên độ trường truyền qua, phát xạ đầu cách hoàn hảo mà không cần chuyển mode SPP thành sóng ánh sáng lan truyền tự Điều biến plasmon: Việc thực thi trình điều biến trường cấu hình dẫn sóng SPP chịu tác động mạnh thành phần vật liệu mức độ mạnh yếu hiệu ứng vật liệu, chẳng hạn hiệu ứng quang-nhiệt, điện-quang từ-quang hiệu ứng phi tuyến quang học (trong điều khiển xạ toàn quang) Tuy nhiên, tất hiệu ứng vốn yếu khoảng cách lan truyền mode SPP giam cầm thang nano nhỏ, việc điều biến SPP khó khăn Các điều biến chuyển mạch nhiệt-quang SPP tầm xa thành phần plasmon sử dụng mạch kim loại để dẫn xạ quang học truyền tính hiệu điện để điều khiển có hiệu trình dẫn Trong nghiên cứu ban đầu nhằm khai thác SPP để điều biến ánh sáng, nguyên tắc hoạt động làm nhiễu loạn phản xạ toàn phần suy hao, chẳng hạn cách biến đổi áp điện khe lăng kính-kim loại, đạt hiệu (gần 75%) chậm (gần 100 kHz), cách thay đổi chiết suất màng mỏng polyme tiếp giáp với kim loại phương pháp điện quang, nhanh (gần 20 GHz) hiệu suất (gần 0,1%) Cả hai cấu hình cồng kềnh khó thu hẹp kích thước Gần đây, dùng thành phần planar, nhà nghiên cứu tiến hành phương pháp điều biến điện-quang giao thoa kế màng mỏng truyền SPP (dọc theo bề mặt phân cách bạc bari titanate) điều khiển trình truyền qua ánh sáng phương pháp điện với điều biến silic hiệu ứng trường hoạt động dựa tượng giao thoa đa mode 44 KẾT LUẬN Các nghiên cứu triển khai tập trung vào khả dẫn plasmon bề mặt cấu trúc nano plasmon vượt qua giới hạn nhiễu xạ cho thấy khả độc đáo cấu trúc này, chúng tập trung điều khiển ánh sáng vùng có kích thước nano Những cấu trúc có khả phân phối lượng ánh sáng đến thiết bị quang học điện tử có kích thước nano, chấm lượng tử chí phân tử Khả tập trung tín hiệu plasmon vào khu vực có kích thước bước sóng làm cho cấu trúc hữu ích trrong việc thiết kế xây dựng thiết bị mạch xử lý tín hiệu quang học kích thước nano hiệu suất cao tích hợp cao Các nhà nghiên cứu hi vọng chúng tạo liên kết tảng hiệu thành phần truyền thông quang học thông thường hệ điện tử nano để xử lý liệu thông tin Các cấu trúc hội tụ nano Plasmon cho thấy khả tăng cường giam cầm trường cục mạnh, có tiềm việc thiết kế hệ cảm biếnmới kỹ thuật chụp ảnh nano Những kỹ thuật giúp xác định tính chất quang học phân tử Điều đưa đến phương pháp điều khiển nano công nghệ nano, photonic sinh học xét nghiệm y khoa Những tính chất độc đáo cấu trúc plasmon khai thác mạnh mẽ hướng nghiên cứu hấp dẫn khác, chẳng hạn kích thích plasmon cục hạt nano kim loại, tăng cường hệ số truyền qua quang học plasmon dùng khe có kích thước nhỏ bước sóng công nghệ ghi từ với hỗ trợ nhiệt Các ứng dụng thực tế quan trọng tương lai cấu trúc dẫn plasmon xử lý tín hiệu quang học, cảm biến xử lý ảnh, kể việc khai thác tính chất độc đáo lợi ích phụ thuộc vào bước tiến mặt lí thuyết lĩnh vực Tuy nhiên, ứng dụng tương lai phụ thuộc chặt chẽ vào phát triển 45 thành công phương pháp kỹ thuật thực nghiệm để chế tạo cấu trúc tối ưu đáng tin cậy Plasmonics lĩnh vực tương đối việc tiến hành tích hợp tất thành phần plasmon thiết kế để tạo plasmon hiệu quả, điều khiển phát thách thức công nghệ khó khăn Đề tài luận văn này, tìm hiểu sở lý thuyết Plasmonics ứng dụng chế tạo thiết bị dẫn sóng Plasmon là: trạng thái plasma, sóng mật độ điện tử lan truyền plasma điện tử kim loại, dao động đồng hàng tỷ điện tử, tạo bề mặt kim loại – điện môi Ống dẫn sóng thiếc bị dùng để truyền dẫn sóng, sóng điện từ (bao gồm ánh sáng) hay sóng âm Tùy theo loại sóng mà ống dẫn sóng thiết kế chuyện biệt; Đối với ống dẫn sóng điện từ sóng truyền dọc ống phản xạ nhiều lần điểm bên thành ống coi không bị tổn hao xạ, tổn hao nhiệt so với cáp bé ống dẫn sóng lỏi dây dẫn ống Ống dẫn sóng plasmon dùng để dẫn tín hiệu plasmon mạch thiết kế theo hình dạng khác nhau.Các màng mỏng kim loại có độ rộng hữu hạn nhúng điện môi dùng làm ống dẫn sóng plasmon Để đạt khả định xứ bước sóng, người ta phải giảm độ rộng dây sau dùng SP để dẫn ánh sáng bên dây nano Trong dây nano, giam cầm electron theo hai hướng dẫn đến cộng hưởng plasmon bề mặt rõ ràng, kích thước ngang dây nhỏ nhiều so với bước sóng ánh sáng kích thích Trong tất cấu hình dẫn sóng plasmon, có ràng buộc kích thước mode độ tổn hao lan truyền Chúng ta có cấu hình 46 độ tổn hao lan truyền thấp bù lại có kích thước mode lớn, độ tổn hao lan truyền cao với giam cầm ánh sáng mạnh 47 Tài liệu tham khảo [1] A V Krasavin, A V Zayats, N I Zheludev, (2005), “Active control of surface plasmon–polariton waves”, J Opt Pure Appl Opt, vol 7, 85 [2] C Liu, V Kamaev, Z V Vardenya, (2005), “Efficiency enhancement of an organic light-emitting diode with a cathode forming two-dimensional periodic hole array”, Appl Phys Lett, Vol 86, 143501 [3] D O S Melville, R J Blaikie, (2005), “Super-resolution imaging through a planar silver layer”, Opt Exp, vol 13, 2127 [4] D Pile et al., (2005), “Theoretical and experimental investigation of strongly localized plasmons on triangual metal wedges for subwavelength waveguiding”, Appl Phys Lett, vol 87, 061106 [5] Dmitri K Gramotnev, Sergey I Bozhevolnyi, (2010), “Plasmonics beyond the diffraction limit”, nature photonics, vol 4, 83-91 [6] E F Schubert, J K Kim, (2005), “Solid-State Light Sources Getting Smart”, Science, vol 308, 1274-1278 [7] Ekmel Ozbay, (2006), “Plasmonics: merging photonics and electronics at nanoscale dimensions”, Science, vol 311, 189-193 [8] Ginzburg, P., Arbel, D & Orenstein, M Gap, (2006), “Plasmon polariton structure for very efficient microscale-to-nanoscale interfacing”, Opt Lett, vol 31, 3288–3290 [9] Gramotnev, D K., Pile, D F P., Vogel, M W & Zhang, X Local, (2007), “Electric field enhancement during nanofocusing of plasmons by a tapered gap” Phys Rev B, vol 75, 035431 [10] Harry A Atwater, (2007), “The promise of Plasmonics”, Scientific amrrican, vol 56 48 [11] J Hashizume, F Koyama, (2004), “Plasmon enhanced optical near-field probing of metal nanoaperture surface emitting laser”, Opt Exp, vol 12, 6391-6396 [12] J R Krenn, J C Weeber, (2004), “Surface plasmon polaritons in metal stripes and wires”, Philos Trans R Soc London Ser A, vol 362, 739 [13] K Okamoto et al., (2005), “Surface plasmon enhanced spontaneous emission rate of InGaN/GaN quantum wells probed by time-resolved photoluminescence spectroscopy”, Appl Phys Lett, vol 87, 071102 [14] M J Kobrinsky et al., (2004), “On-chip optical interconnects”, Intel Technol J, vol 8, 129 [15] P Andrew, W L Barnes, (2004), “Energy transfer across a metal film mediated by surface plasmon polaritons”, Science, vol 306, 1002-1005 [16] P Berini, R Charbonneau, N Lahoud, G Mattiussi, (2005), “Characterisation of long-range surface-plasmon-polariton waveguides” J Appl Phys, vol 98, 043109 [17] S A Maier, H A Atwater, (2005), “Plasmonics: localization and guiding of electromagnetic energy in metal/dielectric structures”, J Appl Phys, vol 98, 011101 [18] S A Maier, P E Barclay, T J Johnson, M D Friedman, O Painter, (2005), “Experimental demonstration of fiber-accessible metal nanoparticle plasmon waveguides for planar energy guiding and sensing”, Appl Phys Lett, vol 86, 071103 [19] S I Bozhevolnyi, V S Volkov, E Devaux, T W Ebbesen, (2005), “Excitation of fluorescent nanoparticles by channel plasmon polaritons propagating in v-grooves”, Phys Rev Lett, vol 95, 046802 [20] S Wedge, J A E Wasey, I Sage, W L Barnes, (2004), “Coupled surface plasmon-polariton mediated photoluminescencefrom a top-emitting organic light-emitting structure”,Appl Phys Lett, vol 85, 182 49 [21] W L Barnes et al., (2004), “Surface plasmon polaritons and their role in the enhanced transmission of light through periodic arrays of subwavelength holes in a metal film”, Phys Rev Lett, vol 92, 107401 [...]... mạch 10 Người ta đã dùng Plasmon trong việc chế tạo hiệu ứng Plasmon, chế tạo nguồn sáng, ứng dụng trong hiện tượng quang khắc nano, và một số thiết bị dẫn sóng khác 1.3 Một số ứng dụng của Plasmonics 1.3.1 Chip Plasmon Các chip Plasmon sẽ có các cổng đầu vào và đầu ra quang học, những cổng này sẽ được kết nối quang học với các thiết bị photonic thông thường qua các bộ ghép plasmonic [12] Các bộ ghép... 2.2 Ứng dụng plasmon trong chế tạo thiết bị dẫn sóng điện từ 2.2.1 Chế tạo thiết bị dẫn sóng Plasmon Việc sử dụng các ống dẫn sóng plasmon cho các kết nối bên trong chip mức độ cao đã được nghiên cứu rất nhiều hiện nay Tuy nhiên, việc kết luận rằng các liên kết nối plasmon là sự thay thế không rõ ràng của liên kết nối 29 mức trung gian điện tử thông thường Bởi vì sự cân bằng giữa kích cỡ giao động và. .. đầu góp phần minh chứng cho phương pháp quang khắc nano plasmonic siêu thấu kính, và cần phải tiếp tục nghiên cứu để cải thiện độ phân giải dưới bước sóng, sự bao phủ trên không và độ đồng đều 18 CHƯƠNG 2 ỨNG DỤNG TRONG CHẾ TẠO ỐNG DẪN SÓNG PLASMON 2.1 Ống dẫn sóng (waveguide) 2.1.1 Tổng quan Ống dẫn sóng là một cấu trúc dùng để định hướng sóng điện từ hoặc âm thanh được sử dụng trong thông tin liên... dẫn sóng điện từ sóng truyền dọc trong ống bằng sự phản xạ nhiều lần ở những điểm bên trong thành ống có thể coi như không bị tổn hao do bức xạ, sự tổn hao do nhiệt so với cáp cũng bé vì ống dẫn sóng không có lỏi dây dẫn ở giữa ống Do cấu trúc đơn giản và tổn hao năng lượng bé, ống dẫn sóng được áp dụng rộng rãi trong các thiết bị siêu cao tần Để sóng điện từ trong ống dẫn sóng không bị suy giảm đáng... (chẳng hạn độ gồ ghề bề mặt và sự không đồng nhất về hình dạng), và cũng có thể khó chế tạo và tích hợp vào công nghệ planar và các mạch nano Các dải và nêm kim loại tương đối dễ chế tạo nhưng theo dự đoán có thể bị tổn hao cong (tổn hao do vật đó bị cong) và có thể dễ bị tác động của những khiếm khuyết cấu trúc Tác động thực sự của những yếu tố này đến các ống dẫn sóng plasmon nêm và các dải nano vẫn đang... người ta thấy các ống dẫn sóng plasmon có nhiều ưu điểm với việc tạo rãnh các cấu trúc ống dẫn sóng do khả năng hội tụ mạnh tín hiệu plasmon dưới bước sóng, tiêu tán tương đối thấp và khoảng cách lan truyền dài (hàng trăm micromet) Điều này chứng tỏ rằng các ống dẫn sóng plasmon nêm có nhiều ưu điểm hơn so với các ống dẫn sóng rãnh hình chữ V trong các liên kết dưới bước sóng trong vùng hồng ngoại... của plasmonics 1.3.2 Tạo ta nguồn sáng Lĩnh vực mới của plasmonics không chỉ là sự lan truyền ánh sáng trong các cấu trúc có kích thước nhỏ hơn bước sóng Plasmonics cũng có thể giúp chúng ta tạo và điểu khiển bức xạ điện từ ở những bước sóng khác nhau từ vùng quang học đến vi sóng Kể từ khi được giới thiệu lần đầu vào năm 1995 bởi Nakamura, diode phát quang bán dẫn (LED) InGaN đã có nhiều ứng dụng. .. suy giảm trong việc truyền sóng đã đặt ra câu hỏi là liệu có thể phát minh các ống dẫn sóng plasmonic như là sự liên kết ở cấp độ cao giữa các điện trở với bộ vi xử lý và nhiều ứng dụng khác có thể được xem xét Với bộ cảm biến plasma, các ống dẫn sóng plasma có thể được sử dụng để chuyển các tín hiệu plasma vào bên trong và bên ngoài bộ cảm biến Các ống dẫn sóng plasma cũng có thể được sử dụng như... diện giữa các ống dẫn sóng chất điện môi thông thường lý tưởng cho việc truyền thông tin dữ liệu tốc độ cao ở một khoảng cách dài hơn, và các liên kết điện tử thông thường trên mức độ điện trở 2.2.2 Ứng dụng plasmon trong chế tạo ống dẫn sóng Ống dẫn sóng plasmon là một thiết bị có khả năng giam cầm mode không chịu ảnh hưởng của các tham số vật liệu chủ yếu nhằmm đến mục tiêu tận dụng được ưu thế của... đáng kể sau nhiều lần phản xạ và giao thoa, tần số sóng phải lớn hơn một giới hạn nào đó gọi là tần số tới hạn Tần số tới hạn phụ thuộc vào dạng, kích thước của ống dẫn sóng Tiết diện của ống dẫn sóng càng bé thì tần số tới hạn càng cao Do đó để kích thước ống dẫn sóng không quá lớn, tần số sóng truyền trong ống dẫn sóng phải lớn Ống dẫn sóng có nhiều loại, các loại ống dẫn sóng khác nhau được thể hiện ... tin quang 23 2.2 Ứng dụng plasmon chế tạo thiết bị dẫn sóng điện từ 28 2.2.1 Chế tạo thiết bị dẫn sóng Plasmon 28 2.2.2 Ứng dụng plasmon chế tạo ống dẫn sóng 29 KẾT LUẬN ... trung sâu khả ứng dụng plasmonics chế tạo thiết bị dẫn sóng plasmon Phương pháp nghiên cứu Đọc, tìm hiểu, tham khảo tài liệu plasmonic, ứng dụng plasmonic, đặc biệt chế tạo thiết bị dẫn sóng 6 CHƯƠNG... truyền cao với giam cầm ánh sáng mạnh 2.2 Ứng dụng plasmon chế tạo thiết bị dẫn sóng điện từ 2.2.1 Chế tạo thiết bị dẫn sóng Plasmon Việc sử dụng ống dẫn sóng plasmon cho kết nối bên chip mức độ cao