Нанофотоника рассматривает, как свет и вещество на наноуровне взаимодействуют друг с другом, и открытия в этой области важны для технологий нанофабрикации и будущих фотонных устройств. До недавнего времени металлические наночастицы использовались преимущественно в нанофотонных устройствах. В настоящее время полупроводниковые материалы, такие как кремний, рассматриваются в качестве наночастиц.
Исследователи из Технологического университета Эйндховена и Университета Киото опубликовали два ключевых документа, касающихся нанофотонных конфигураций на основе кремния. В ознаменование Международного дня света 2020 одна статья, опубликованная в журнале ACS Photonics, была выбрана в качестве одной из лучших работ в области фотоники за последний год.
В области нанофотоники рассматривается взаимодействие наночастиц со светом, когда размер наночастиц приблизительно равен длине волны света. Контроль этого так называемого резонансного отклика может иметь положительные последствия для разработки новых нанотехнологий и для практических применений, таких как повышение эффективности солнечных элементов и светодиодов и чувствительности фотоприемников.
Фокус сместился на кремний
Исторически, сообщество нанофотоников использовало металлические наночастицы, где свободные заряды в частицах колеблются после взаимодействия с электрическим полем падающей электромагнитной волны (света). В последние годы фокус сместился на наночастицы, сделанные из полупроводниковых материалов, таких как кремний, где свет взаимодействует с электронами, связанными с атомом, в отличие от свободных зарядов. Что касается металлических наночастиц, взаимодействия между наночастицами света и полупроводника могут проявлять колебательный или резонансный отклик.
Исследователи из Института фотонной интеграции (IPI) и кафедры прикладной физики во главе с профессором Jaime Gomez Rivas в сотрудничестве с Университетом Киото активно изучают использование полупроводниковой наноструктуры для нанофотоники. Недавно они опубликовали два ключевых вывода в журналах Advanced Optical Materials и ACS Photonics.
Сильная связь между органическими материалами и наночастицами кремния
Новое направление исследований связано с режимом сильной связи, где взаимодействия света и материалов наночастиц достаточно сильны, чтобы изменить фундаментальные свойства материала. Фактически происходит гибридизация, когда вещество приобретает некоторые свойства света, а свет приобретает некоторые свойства вещества. Когда органические материалы используются в оптоэлектронных устройствах, ключевой проблемой является ухудшение качества материалов при освещении и короткое расстояние, на которое могут распространяться заряды. Сильная связь поможет ограничить эти негативные последствия.
В своей первой статье, опубликованной в ACS Photonics, Gabriel Castellanos и его коллеги достигли сильной связи между электрическими и магнитными колебаниями между органическими материалами и массивами наночастиц поликристаллического кремния. Это открытие открывает путь для использования материалов на основе кремния в оптоэлектронных органических устройствах, что может привести к увеличению производительности. Чтобы отметить Международный день света (16 мая 2020 года), эта статья была выбрана журналом ACS Photonics, который публикуется Американским химическим обществом, как одна из 24 наиболее актуальных статей в области фотоники в период с мая 2019 года по май 2020.
Улучшенное излучение света
Во второй статье Shunsuke Murai и соавторы продемонстрировали, что упорядоченные массивы наночастиц поликристаллического кремния (разных форм и размеров), которые соединяются друг с другом, могут изолировать электрические и магнитные колебания. В результате, когда молекулы красителя находятся вблизи массивов, более сильная связь между молекулами красителя и массивами наночастиц кремния приводит к усилению излучения света от молекул. Например, 20-кратное усиление наблюдается в определенных направлениях при соединении с электрическим полем массивов наночастиц, в то время как пятикратное усиление возникает при наличии связи с магнитным полем. Это может иметь значение для конструкций будущих светодиодов.
