Nanolichtbronnen op basis van resonante excitonen van plasmonen in de buurt van een scherpe metalen nanostructuur hebben grote belangstelling gewekt voor optische nanobeeldvorming. Echter, het resonantieverschijnsel werkt alleen voor één type golflengte dat resoneert met plasmonen. Vergeleken met plasmonische resonantie, de alternatieve plasmon-nanofocusmethode kan een bron van nanolicht genereren door plasmonen te verspreiden en samen te drukken op een taps toelopende metalen nanostructuur, onafhankelijk van de golflengte, vanwege zijn afhankelijkheid van voortplanting. In een nieuw verslag over wetenschappelijke vooruitgang , Takayuki Umakoshi en een onderzoeksteam in toegepaste natuurkunde en scheikunde in Japan genereerden een witte nanolichtbron die zich uitstrekt over het gehele zichtbare lichtbereik door middel van plasmon-nanofocussering. Met behulp van het proces, ze toonden spectrale bandgap-nanobeeldvorming van koolstofnanobuisjes (CNT's). De experimentele demonstratie van de bron van wit nanolicht zal verschillende onderzoeksgebieden in staat stellen om vooruitgang te boeken in de richting van de volgende generatie, nanofotonische technologieën.

Het naast elkaar bestaan ​​van meerdere golflengten van licht in een beperkt nanometrisch volume kan een interessant optisch effect vormen. Het unieke nanolicht is daarom een ​​veelbelovend platform voor diverse onderzoeksgebieden door mogelijkheden te bieden om een ​​monster over een reeks golflengten te onderzoeken, of induceren licht-licht interacties tussen verschillende golflengten op nanoschaal. Optische antennes hebben de afgelopen decennia een belangrijke rol gespeeld om licht op nanoschaal te beperken door middel van gelokaliseerde plasmonresonanties in metalen nanostructuren, leidend tot ongekend onderzoek in nanolicht, inclusief lichtveldverbetering. Aangezien plasmonresonantie een resonerend fenomeen is, het kan de generatie van breedband nanolicht niet vergemakkelijken, daarom, als resultaat, plasmon nanofocusing heeft bredere aandacht gekregen als alternatief voor het genereren van bronnen van nanolicht. Tijdens het proces, een lichtbron op nanoschaal kan worden ontwikkeld door oppervlakteplasmonpolaritonen (SPP's) aan de top van een metalen, taps toelopende bovenbouw. Het werk leidde tot een enorme verbetering van het lichtveld op nanoschaal, aan de top en resulteerde in een achtergrondvrije verlichting. Wetenschappers hebben de resulterende breedbandeigenschap onderzocht voor viergolfmenging met een hoge niet-lineaire conversie-efficiëntie. De plasmon-nanogerichte breedbandlichtbron is een krachtig hulpmiddel in diverse onderzoeksgebieden.

In dit werk, Umakoshi et al. introduceerde een witte nanolichtbron die zich uitstrekt over het gehele zichtbare golflengtebereik - gegenereerd via plasmon-nanofocussering. Ze toonden optische beeldvorming met breedband energiebandgap van koolstofnanobuisjes met behulp van de witte nanolichtbron. Hoewel plasmon-nanofocussering kan worden geëxciteerd in een breed golflengtebereik, onderzoekers hebben het alleen in het nabij-infraroodbereik gebruikt vanwege beperkingen van materialen die de taps toelopende structuur vormen. Ze hadden goud als materiaal gebruikt om conische taps toelopende structuren te vormen en lagere ohmse verliezen te vormen, maar dergelijke experimenten bleven in het nabij-infrarode bereik en niet in het zichtbare of ultraviolette bereik. Umakoshi et al. had onlangs ook een efficiënte fabricagemethode ontwikkeld om taps toelopende metalen structuren te vormen op basis van thermische verdamping, waarbij het construct een in de handel verkrijgbare siliconen cantilever met een piramidale punt omvatte. Met behulp van een oppervlak van de piramide als basis, ze verkregen een tweedimensionale metalen tapsheid en creëerden een extreem gladde metalen coating die toepasbaar is op een reeks metaalsoorten, inclusief zilver. Met behulp van de zilveren taper, het team verkreeg zeer efficiënte plasmon-nanofocussering met 100 procent reproduceerbaarheid bij 642 nm en voerde witte plasmon-nanofocussering uit over een breed bereik van zichtbare golflengten.

Ontwerpen en engineeren van een taps toelopende metalen structuur voor breedband plasmon nanofocusing

Umakoshi et al. ontwikkelde een taps toelopende metalen structuur om een ​​breedband witte nanolichtbron op een piramidevormige punt van geoxideerd silicium te behouden met een dunne zilverlaag op een oppervlak van de piramide. Met behulp van een enkele spleet van 200 nanometer (nm) in zilver koppelden ze licht in het zichtbare bereik, en berekende de elektrische veldverdelingen in de buurt van de apex bij meerdere excitatiegolflengten met behulp van de eindige-verschil-tijddomein (FDTD) -methode. Het team observeerde sterke elektrische velden opgesloten aan de apexpunt bij excitatiegolflengten variërend van 460 nm tot 1200 nm. Het werk liet zien hoe een 200 nm brede spleet een breedband nanolichtbron genereerde die zich over het gehele zichtbare gebied uitstrekte om zelfs het nabij-infrarode gebied te bereiken. Tijdens het fabricageproces, de wetenschappers gebruikten een in de handel verkrijgbare cantilevertip van silicium met een piramidale vorm. Ze oxideerden de silicium cantilever en ontwikkelden een gladde zilveren coating van 1 nm oppervlakteruwheid om energieverlies tijdens SPP (surface plasmon polariton) propagatie te verminderen.

Het genereren van een witte lichtbron via plasmon-nanofocussing en het uitvoeren van spectrale bandgap-beeldvorming

Om het proces van de productie van beperkt wit licht door de taps toelopende structuur op basis van plasmon-nanofocusing te begrijpen, het team verlichtte de spleetstructuur met een coherente supercontinuum-laser die zich over een breed scala aan golflengten uitstrekte. Wanneer de invallende polarisatie loodrecht op de spleet stond, ze noteerden de beste koppeling in de opstelling in overeenstemming met simulaties. Naarmate de golflengte korter werd, het verstrooiingsrendement nam toe. Daarom, het team nam experimenteel een hogere intensiteit waar in het kortere golflengtebereik.

Ze gebruikten de plasmon-nanogerichte witte lichtbron om spectrale nano-analyse van CNT's (koolstofnanobuisjes) uit te voeren. De witte nanolichtbron gelokaliseerd aan het uiteinde van de apex interageerde tijdens het experiment met CNT-bundels die meerdere bandgaps bevatten. Het verstrooiingssignaal nam tijdens het experiment toe om fotonen aan te geven met dezelfde energie die overeenkwam met de bandgaps van de CNT's. Umakoshi et al. combineerde vervolgens de aanpak met Raman-spectroscopie om de chiraliteit van het CNT-monster te onderzoeken.

De op plasmon gefocuste witte lichtbron in dit werk is een fundamentele en effectieve lichttoestand voor nano-imaging met bandgap. Dit werk zal de weg vrijmaken voor een verscheidenheid aan mogelijke toepassingen, inclusief het onderzoeken van biomoleculen om hun absorptie-eigenschappen bij ruimtelijke resolutie op nanoschaal te begrijpen. Een mid-infrarood breedband nanolichtbron zal ook productief zijn in materiaalwetenschap en moleculaire biologie. Deze techniek kan ook het analytisch vermogen van oppervlakteversterkte Raman-spectroscopie vergroten om moleculaire trillingen te onderzoeken.

Op deze manier, Takayuki Umakoshi en collega's genereerden een witte nanolichtbron aan de top van een taps toelopende zilverstructuur met behulp van plasmon-nanofocusing om nano-analyse van koolstofnanobuisjes uit te voeren. Het team ontwierp en ontwikkelde een taps toelopende structuur die plasmon-nanofocussering over een breed golflengtebereik induceerde. De spectrale bandgap-techniek zal brede toepassingen hebben op nanoschaal in materiaalwetenschap en biologisch onderzoek. Het gedemonstreerde werk is slechts een enkel voorbeeld, met diverse toepassingen mogelijk op basis van een krachtig en fundamenteel optisch hulpmiddel op nanoschaal met uitstekende golflengteflexibiliteit.

© 2020 Wetenschap X Netwerk