Science >> Wetenschap >  >> nanotechnologie

Sub-golflengte opsluiting van licht gedemonstreerd in nanoholte van indiumfosfide

In het tijdschrift Optical Materials Express laten de onderzoekers zien dat hun nieuwe nanoholte een modusvolume vertoont dat een orde van grootte kleiner is dan eerder aangetoond in III-V-materialen. III-V-halfgeleiders hebben unieke eigenschappen die ze ideaal maken voor opto-elektronische apparaten. De sterke ruimtelijke opsluiting van licht die in dit werk wordt gedemonstreerd, helpt de interactie tussen licht en materie te verbeteren, wat hogere LED-vermogens, kleinere laserdrempels en hogere efficiëntie van afzonderlijke fotonen mogelijk maakt.

"Lichtbronnen gebaseerd op deze nieuwe nanoholtes kunnen een grote impact hebben op datacenters en computers, waar ohmse en energievretende verbindingen kunnen worden vervangen door snelle en energiezuinige optische verbindingen", aldus Xiong. "Ze kunnen ook worden gebruikt in geavanceerde beeldvormingstechnieken zoals superresolutiemicroscopie om een ​​betere ziektedetectie en behandelingsmonitoring mogelijk te maken of om sensoren voor verschillende toepassingen te verbeteren, waaronder milieumonitoring, voedselveiligheid en -beveiliging."

Lichtinteractie stimuleren

Het werk maakt deel uit van een inspanning van onderzoekers van het NanoPhoton-Center for Nanophotonics van de Technische Universiteit van Denemarken, die een nieuwe klasse van diëlektrische optische holtes onderzoeken die diepe opsluiting van licht onder de golflengte mogelijk maken via een principe dat de onderzoekers extreme diëlektrische opsluiting (EDC) hebben bedacht. ). Door de interactie tussen licht en materie te verbeteren, kunnen EDC-holtes leiden tot zeer efficiënte computers met lasers met een diepe subgolflengte en fotodetectoren die in transistors zijn geïntegreerd om het energieverbruik te verminderen.

In het nieuwe werk ontwierpen de onderzoekers eerst een EDC-holte in de III-V-halfgeleider indiumfosfide (InP) met behulp van een systematische wiskundige benadering die de topologie optimaliseerde en tegelijkertijd de geometrische beperkingen versoepelde. Vervolgens vervaardigden ze de structuur met behulp van elektronenbundellithografie en droogetsen.

"EDC-nanoholtes hebben kenmerkende afmetingen tot enkele nanometers, wat cruciaal is voor het bereiken van extreme lichtconcentraties, maar ze zijn ook gevoelig voor fabricagevariaties", zegt Xiong. "We schrijven de succesvolle realisatie van de holte toe aan de verbeterde nauwkeurigheid van het InP-fabricageplatform, dat is gebaseerd op elektronenstraallithografie gevolgd door droog etsen."

Meng Xiong en Frederik Schröder van het onderzoeksteam worden getoond met de verstrooiende optische nabij-veldmicroscoop die wordt gebruikt om de ruimtelijke lichtbeperking van de nieuwe nanoholtes aan te tonen. Nanoholten met ultrakleine volumes zouden een breed scala aan fotonische apparaten en technologieën kunnen helpen verbeteren. Credit:Meng Xiong, Technische Universiteit van Denemarken

Een kleinere nanoholte maken

Na het verfijnen van het fabricageproces bereikten de onderzoekers een opmerkelijk kleine diëlektrische kenmerkgrootte van 20 nm, wat de basis werd voor de tweede ronde van topologische optimalisatie. Deze laatste optimalisatieronde leverde een nanoholte op met een modusvolume van slechts 0,26 (λ/2n)³, waarbij λ de golflengte van het licht vertegenwoordigt en n de brekingsindex ervan. Deze prestatie is vier keer kleiner dan wat vaak het diffractiegelimiteerde volume voor een nanoholte wordt genoemd, wat overeenkomt met een lichtdoos met een zijdelengte van de helft van de golflengte.

De onderzoekers wijzen erop dat, hoewel soortgelijke holtes met deze kenmerken onlangs in silicium zijn gerealiseerd, silicium de directe band-naar-band-overgangen mist die worden aangetroffen in III-V-halfgeleiders, die essentieel zijn voor het benutten van de Purcell-verbetering die door nanoholten wordt geboden.

"Voorafgaand aan ons werk was het onzeker of vergelijkbare resultaten zouden kunnen worden bereikt in III-V-halfgeleiders, omdat deze niet profiteren van de geavanceerde fabricagetechnieken die zijn ontwikkeld voor de siliciumelektronica-industrie", aldus Xiong.

De onderzoekers werken nu aan het verbeteren van de fabricageprecisie om het modusvolume verder te verminderen. Ze willen de EDC-holtes ook gebruiken om een ​​praktische nanolaser of nanoLED te realiseren.

Meer informatie: Meng Xiong et al, Experimentele realisatie van diepe opsluiting van licht onder de golflengte in een topologie-geoptimaliseerde InP-nanoholte, Optical Materials Express (2023). DOI:10.1364/OME.513625

Journaalinformatie: Optische Materialen Express

Geleverd door Optica




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Genetische studie van onsterfelijke kwallen kan de levensduur helpen verklaren
  2. Zijn linkshandigen snellere denkers dan rechtshandigen?
  3. Wat is een Micel in Biochemie?
  4. Hoe een DNA-monster wordt verzameld en voorbereid voor onderzoek
  5. Meer dan honderd grienden die aan de westkust van Australië zijn gestrand, zijn gered, zegt de onderzoeker
  6. Gliale cellen (Glia): definitie, functie, typen
  7. Het verschil van de genomische DNA-extractie tussen dier en plant
  8. Hoe u uw gazon het hele jaar door natuurvriendelijk kunt maken:tips van een ecoloog
  9. Nieuwe studie ontdekt klein doelwit op RNA om ontstekingen te kortsluiten

Wetenschap