С целью определения наиболее подходящих материалов для диэлектрической нанофотоники был проведен сравнительный анализ.
Физики из МФТИ и Университета ИТМО провели сравнительный анализ материалов для применения в диэлектрической нанофотонике. Полученные в ходе систематического исследования результаты позволят не только более эффективно использовать известные материалы при создании оптических наноантенн, но и стимулируют поиск новых решений.
Антенны используются для излучения, приема и обработки сигналов, передаваемых электромагнитными волнами, и они способны выполнять эту функцию с высокой эффективностью. Как правило, речь идет о крупных установках, предназначенных для работы с радио- и микроволновым излучением. Тем не менее, аналогичные антенны создаются и для работы с оптическим излучением. Учитывая, что длина волны видимого света составляет сотни нанометров, размеры таких устройств исчисляются нанометрами. Оптические наноантенны, которые позволяют фокусировать, направлять и эффективно излучать свет, находят применение в самых разных областях, включая передачу данных по оптическим каналам, микроскопию, фотодетектирование, решение биомедицинских задач и даже ускорение химических реакций.
Для обеспечения требуемого приема и излучения сигнала антенна должна иметь резонансные элементы. В радиодиапазоне это обычно отрезки проводов. В оптическом диапазоне наночастицы из серебра или золота с плазмонными резонансами долгое время использовались в качестве таких элементов. Электромагнитные поля в этих частицах могут быть сконцентрированы в пространстве размером 10 нм и меньше, однако значительная часть электромагнитной энергии расходуется на нагрев металла из-за джоулевых потерь, свойственных металлам. В качестве альтернативы плазмонным наночастицам активно исследуются диэлектрические наночастицы с высоким показателем преломления в оптическом диапазоне (например, кремний) в течение последних пяти лет. При определенном соотношении длины волны и диаметра частицы она способна поддерживать особые оптические резонансы, известные как резонансы Ми. Благодаря различиям в свойствах металлов и диэлектриков, потери на нагрев в диэлектрических наноантеннах могут быть существенно ниже, чем в плазмонных структурах.
Показатель преломления определяет резонансные свойства материала, в частности, параметры резонанса Ми. Частицы, изготовленные из материалов с высоким показателем преломления, демонстрируют более качественные резонансы Ми, поскольку электромагнитные колебания в них сохраняются дольше без внешнего воздействия. Увеличение показателя преломления также ведет к уменьшению диаметра резонансной частицы, что открывает возможности для создания более компактных оптических устройств. В связи с этим, высокоиндексные материалы – те, что характеризуются высоким показателем преломления – предпочтительны для создания диэлектрических наноантенн.
В работе, опубликованной в журнале Optica, для оценки резонансных свойств высокоиндексных материалов, используемых в видимом и инфракрасном диапазонах, эксперты провели всестороннее и структурированное исследование. В этот набор вошли полупроводники и полярные кристаллы, например, карбид кремния. Для удобства анализа авторы выбрали Q-фактор (добротность) резонанса, который характеризует скорость затухания возбуждения, вызванного падающим светом.
В ходе теоретического анализа было установлено, что на текущий момент наиболее подходящим материалом для создания диэлектрических антенн в видимом диапазоне является кристаллический кремний, а в ближнем инфракрасном — германий. Для среднего инфракрасного диапазона, представляющего значительный интерес для задач радиационного охлаждения (т. е. процесса снижения температуры нагретого тела посредством излучения электромагнитной энергии в окружающую среду) и теплового камуфляжа (обратного процесса — подавления свечения нагретого тела, обнаруживаемого тепловизором), наиболее перспективным оказался сплав германия и теллура (GeTe).
Ограничения на величину Q-фактора обусловлены фундаментальными факторами. Высокий показатель преломления в полупроводниках связан с межзонными электронными переходами, в процессе которых энергия падающего света поглощается. Это поглощение приводит к снижению добротности и нагреву, с которым ученые пытаются справиться. Следовательно, существует компромисс между высоким показателем преломления и потерями.
«Дмитрий Зуев, научный сотрудник лаборатории „Метаматериалы“ физико-технического факультета Университета ИТМО, подчеркивает, что работа представляет собой наиболее полную на сегодняшний день информацию об оптимальных высокоиндексных материалах для создания наноантенны в данной спектральной области. Кроме того, был проведен анализ методов создания таких наноструктур. Благодаря этому исследователи могут выбирать как материал, так и метод изготовления, наилучшим образом подходящие для решения конкретных задач. Это важный инструмент для проектирования и экспериментальной реализации разнообразных устройств диэлектрической нанофотоники».
Анализ существующих методов выявил, что наиболее тщательно изучены кремний, германий и арсенид галлия. Резонансные наноантенны из этих материалов можно изготовить различными способами, включая литографию, химические методы и лазерную обработку. Однако, не для каждого материала существуют технологии производства резонансных наночастиц. В частности, ученым еще предстоит разработать методы создания наноантенн из теллурида германия, который, согласно теоретическим расчетам, демонстрирует наиболее перспективные характеристики в среднем инфракрасном диапазоне.
«Денис Баранов, аспирант МФТИ и один из авторов работы, отмечает, что кремний в настоящее время является наиболее востребованным материалом для изготовления диэлектрических наноантенн. Его широкое применение обусловлено доступностью, отлаженными технологиями производства наноструктур и совместимостью с CMOS-технологией, которая служит отраслевым стандартом в полупроводниковой отрасли. Тем не менее, кремний не является единственным возможным вариантом, и поиск материалов с более высокими оптическими характеристиками может принести значительный прогресс в области диэлектрической нанофотоники».
Исследования, проведенные специалистами, предоставят ценную информацию для развития нанофотоники, в частности, при создании новых резонансных наноантенн, использующих материалы с высоким показателем преломления. Кроме того, эта работа стимулирует теоретические и экспериментальные изыскания, направленные на поиск новых материалов с высоким показателем преломления для повышения эффективности диэлектрических наноантенн. Эти материалы, в частности, способны существенно повысить эффективность радиационного охлаждения солнечных батарей, что представляет собой актуальную технологическую задачу.