Optikai kommunikációs sáv, ultravékony optikai rezonátor
Az optikai rezonátorok képesek lokalizálni a fényhullámok meghatározott hullámhosszait egy korlátozott térben, és fontos alkalmazási területeik vannak a fény-anyag kölcsönhatásban,optikai kommunikáció, optikai érzékelés és optikai integráció. A rezonátor mérete főként az anyagjellemzőktől és a működési hullámhossztól függ, például a közeli infravörös sávban működő szilícium rezonátorok általában több száz nanométeres vagy annál nagyobb optikai szerkezeteket igényelnek. Az elmúlt években az ultravékony sík optikai rezonátorok nagy figyelmet kaptak a szerkezeti színekben, holografikus képalkotásban, fénytér-szabályozásban és optoelektronikai eszközökben való alkalmazási lehetőségeik miatt. A sík rezonátorok vastagságának csökkentése az egyik nehéz probléma, amellyel a kutatók szembesülnek.
A hagyományos félvezető anyagoktól eltérően a 3D topológiai szigetelők (mint például a bizmut-tellurid, az antimon-tellurid, a bizmut-szelenid stb.) új információs anyagok, amelyek topológiailag védett fémfelületi állapotokkal és szigetelőállapotokkal rendelkeznek. A felületi állapotot az időinverzió szimmetriája védi, és elektronjait nem szórják a nem mágneses szennyeződések, ami fontos alkalmazási lehetőségeket kínál az alacsony fogyasztású kvantum-számítástechnikában és a spintronikai eszközökben. Ugyanakkor a topológiai szigetelőanyagok kiváló optikai tulajdonságokat is mutatnak, mint például a magas törésmutató, a nagy nemlineáris...optikaiegyüttható, széles működési spektrumtartomány, hangolhatóság, könnyű integráció stb., ami új platformot biztosít a fényszabályozás megvalósításához ésoptoelektronikai eszközök.
Egy kínai kutatócsoport egy módszert javasolt ultravékony optikai rezonátorok előállítására nagy felületen növekvő bizmut-tellurid topológiai szigetelő nanofilmek felhasználásával. Az optikai üreg egyértelmű rezonanciaelnyelési jellemzőket mutat a közeli infravörös sávban. A bizmut-tellurid nagyon magas, több mint 6-os törésmutatóval rendelkezik az optikai kommunikációs sávban (magasabb, mint a hagyományos nagy törésmutatójú anyagok, például a szilícium és a germánium törésmutatója), így az optikai üreg vastagsága elérheti a rezonancia hullámhosszának huszadát. Ugyanakkor az optikai rezonátort egydimenziós fotonikus kristályra rakják le, és egy új elektromágnesesen indukált átlátszósági hatás figyelhető meg az optikai kommunikációs sávban, amely a rezonátornak a Tamm-plazmonnal való összekapcsolódásának és annak destruktív interferenciájának köszönhető. Ennek a hatásnak a spektrális válasza az optikai rezonátor vastagságától függ, és robusztus a környezeti törésmutató változásával szemben. Ez a munka új utat nyit az ultravékony optikai üreg, a topológiai szigetelőanyag spektrumszabályozása és az optoelektronikai eszközök megvalósításához.
Amint az az 1a. és 1b. ábrán látható, az optikai rezonátor főként bizmut-tellurid topológiai szigetelőből és ezüst nanofilmekből áll. A magnetronos porlasztással előállított bizmut-tellurid nanofilmek nagy területtel és jó síkfelülettel rendelkeznek. Amikor a bizmut-tellurid és az ezüst filmek vastagsága rendre 42 nm, illetve 30 nm, az optikai üreg erős rezonancia abszorpciót mutat az 1100~1800 nm sávban (1c. ábra). Amikor a kutatók ezt az optikai üreget egy váltakozó Ta2O5 (182 nm) és SiO2 (260 nm) rétegekből álló fotonikus kristályra integrálták (1e. ábra), egy határozott abszorpciós völgy (1f. ábra) jelent meg az eredeti rezonáns abszorpciós csúcs (~1550 nm) közelében, amely hasonló az atomi rendszerek által előidézett elektromágnesesen indukált átlátszósági hatáshoz.
A bizmut-tellurid anyagot transzmissziós elektronmikroszkóppal és ellipszometriával jellemezték. A 2a-2c. ábra a bizmut-tellurid nanofilmek transzmissziós elektronmikroszkópos felvételeit (nagy felbontású képeket) és kiválasztott elektrondiffrakciós mintázatait mutatja. Az ábrából látható, hogy az előállított bizmut-tellurid nanofilmek polikristályos anyagok, és a fő növekedési orientáció a (015) kristálysík. A 2d-2f. ábra a bizmut-tellurid ellipszométerrel mért komplex törésmutatóját, valamint az illesztett felületi állapotot és az állapot komplex törésmutatóját mutatja. Az eredmények azt mutatják, hogy a felületi állapot kioltási együtthatója nagyobb, mint a törésmutató a 230~1930 nm tartományban, ami fémszerű tulajdonságokat mutat. A test törésmutatója több mint 6, ha a hullámhossz nagyobb, mint 1385 nm, ami jóval magasabb, mint a szilícium, a germánium és más hagyományos, nagy törésmutatójú anyagoké ebben a sávban, ami megalapozza az ultravékony optikai rezonátorok előállítását. A kutatók rámutatnak, hogy ez az első ismert megvalósítása egy topológiai szigetelő sík optikai üregnek, amelynek vastagsága mindössze néhány tíz nanométer az optikai kommunikációs sávban. Ezt követően a bizmut-tellurid vastagságával megmérték az ultravékony optikai üreg abszorpciós spektrumát és rezonancia hullámhosszát. Végül az ezüst film vastagságának az elektromágnesesen indukált átlátszósági spektrumokra gyakorolt hatását vizsgálják a bizmut-tellurid nanoüreg/fotonikus kristályszerkezetekben.
Bizmut-tellurid topológiai szigetelők nagy felületű, lapos, vékony rétegeinek előállításával, és a bizmut-tellurid anyagok közeli infravörös sávban mutatott ultramagas törésmutatójának kihasználásával egy mindössze néhány tíz nanométer vastagságú sík optikai üreget kapunk. Az ultravékony optikai üreg hatékony rezonáns fényelnyelést valósíthat meg a közeli infravörös sávban, és fontos alkalmazási értékkel bír az optikai kommunikációs sávban használt optoelektronikai eszközök fejlesztésében. A bizmut-tellurid optikai üreg vastagsága lineáris a rezonáns hullámhosszal, és kisebb, mint a hasonló szilícium és germánium optikai üregek vastagsága. Ugyanakkor a bizmut-tellurid optikai üreget fotonikus kristállyal integrálják, hogy anomális optikai hatást érjenek el, hasonlóan az atomrendszer elektromágnesesen indukált átlátszóságához, ami új módszert kínál a mikroszerkezet spektrumszabályozására. Ez a tanulmány bizonyos szerepet játszik a topológiai szigetelőanyagok kutatásának előmozdításában a fényszabályozásban és az optikai funkcionális eszközökben.
Közzététel ideje: 2024. szeptember 30.