Přednáška č 1: Úvod do nanofotoniky

Slides:



Advertisements
Podobné prezentace
První krok do vláknové optiky
Advertisements

MAGNETICKÉ VLASTNOSTI LÁTEK
Tato prezentace byla vytvořena
Model atomu.
Optika ČVUT FEL Sieger, 2012.
4.4 Elektronová struktura
3 Elektromagnetické pole
6 Kvantové řešení atomu vodíku a atomů vodíkového typu
Odraz a lom na rovinném rozhraní Změna fáze a vlnové délky na rozhraní
II. Statické elektrické pole v dielektriku
Jan Čebiš Vývoj modelu atomu.
Pevnolátkové lasery Jan Berka1, Július Horváth2, Jan Kraček3
CHEMICKÁ VAZBA.
Infračervená sektrometrie s Fourierovou transformací
OPTICKÁ EMISNÍ SPEKTROSKOPIE
Budoucnost mikroelektroniky „ve hvězdách“ ….... spintronika jednou z možných cest.
Relace neurčitosti Jak pozorujeme makroskopické objekty?
Elektromagnetické záření a vlnění
Kvantové vlastnosti a popis atomu
Ohyb světla, Polarizace světla
Paprsková optika Světlo jako elektromagnetické vlnění
Prezentace 2L Lukáš Matoušek Marek Chromec
Digitální učební materiál
Rozklad světla Vypracoval: Tomáš Cacek a Aleš Křepelka.
VII. Neutronová interferometrie II. cvičení KOTLÁŘSKÁ 7. DUBNA 2010 F4110 Kvantová fyzika atomárních soustav letní semestr
Homogenní elektrostatické pole
Optický přenosový systém
Interakce lehkých nabitých částic s hmotou Ionizační ztráty – elektron ztrácí energii tím jak ionizuje a excituje atomy Rozptyl – rozptyl v Coulombovském.
Jak pozorujeme mikroskopické objekty?
38. Optika – úvod a geometrická optika I
Senzory.
Odraz a lom na rovinném rozhraní Změna fáze a vlnové délky na rozhraní
Součástky a Systémy pro distribuci a ovládání optického svazku
Mikroskopické techniky
Nanotechnologie Nanotechnologie je rozvíjející se obor výzkumu a vývoje zaměřený na řízení struktury materiálů v nanorozměrech (0,1 až 100 nm, alespoň.
Prostorové a časové solitony Fyzika laserů Jaroslav Demuth
Optické kabely.
Elektrotechnologie 1.
Relativistický pohyb tělesa
1. část Elektrické pole a elektrický náboj.
Závislost odrazivosti na indexu lomu MateriálIndex lomu Odrazivost (%) Minerální čočky 1,525 1,604 1,893 4,32 5,38 9,53 Plastové čočky 1,502 1,597 1,665.
Fyzika kondenzovaného stavu
Kvantová fyzika: Vlny a částice Atomy Pevné látky Jaderná fyzika.
Optický kabel (fiber optic cable)
Fotodetektory pro informatiku X34 SOS semináře 2008
ZF2/5 Polovodičové optické prvky
Nanotechnologie v praxi
Magnetické vlastnosti látek. – Elektrony mohou vytvářet magnetické pole třemi způsoby: Volné: jako pohybující se náboje, tedy proud. Vázané: díky svému.
Model atomu 1nm=10-9m 1A=10-10m.
Optoelektronika VY_32_INOVACE_pszczolka_ Jednovidová vlákna Tento výukový materiál byl zpracován v rámci projektu EU peníze středním školám - OP.
VI. Neutronová interferometrie cvičení KOTLÁŘSKÁ 11. DUBNA 2012 F4110 Kvantová fyzika atomárních soustav letní semestr
PB169 – Operační systémy a sítě Přenos dat v počítačových sítích Marek Kumpošt, Zdeněk Říha.
Ohmův zákon akustiky Δx=c Δt ρc=Z … akustická impedance.
6 Kvantové řešení atomu vodíku a atomů vodíkového typu 6.2 Kvantově-mechanické řešení vodíkového atomu … Interpretace vlnové funkce vodíkového atomu.
VLNOVÉ VLASTNOSTI ČÁSTIC. Foton foton = kvantum elmag. záření vlnové a zároveň částicové vlastnosti mimo představy klasické makroskopické fyziky Louis.
ELEKTROTECHNOLOGIE VODIČE - ÚVOD. VŠEOBECNÁ CHARAKTERISTIKA VODIČE – ELEKTRICKY VODIVÉ MATERIÁLY pro jejichž technické využití je rozhodující jejich VELKÁ.
Elektromagnetické záření. Elektromagnetická vlna E – elektrické pole B – magnetické pole Rychlost světla c= m/s Neviditelné vlny, které se.
délka 1,2 m Johann a Zacharias Jansenové (16. stol.) Systém dvou čoček Typy světelných mikroskopů.
Optická vlákna Semestrální práce z předmětu
Částicový charakter světla
Semestrální práce z předmětu X32TSS – Telekomunikační systémy a sítě
Fotonické nanostruktury (alias nanofotonika)
Název školy: Gymnázium, Roudnice nad Labem, Havlíčkova 175, příspěvková organizace Název projektu: Moderní škola Registrační číslo projektu: CZ.1.07/1.5.00/
II. Kvantové heterostruktury
Fyzika kondenzovaného stavu
Přednáška č 2: Dioda Nanofotonika a Nanoelektronika (SLO/BNNE)
Kvantová fyzika.
Přednáška č 1: Dioda Nanofotonika a Nanoelektronika (SLO/BNNE)
Optická litografie Hybatel digitální revoluce
Balmerova série atomu vodíku
Transkript prezentace:

Přednáška č 1: Úvod do nanofotoniky Nanofotonika a Nanoelektronika (SLO/BNNE) Přednáška č 1: Úvod do nanofotoniky Jan Soubusta 2017

Obsah ÚVOD POHLED DO MIKROSVĚTA OD ELEKTRONIKY K FOTONICE FYZIKA PRO NANOFOTONIKU PERIODICKÉ KRYSTALY NANOFOTONIKA V PRAXI

Co je nanofotonika? nanofotonika Nanofotonika je vědní obor, který: je na rozhraní nanotechnologií a optiky popisuje interakce světla s látkou na nanometrové škále studuje struktury s nanometrovými rozměry pomocí optiky nanofotonika fyzika chemie nanomateriálové inženýrství optika

Proč se rozvíjí nanofotonika? Návrh funkční nanostruktury lze udělat na běžném počítači. Jsou vyvinuty metody výroby nanostruktur. Jsou dostupné přístroje pro charakterizaci nanostruktur. Pro nanostruktury jsou výhodné aplikace. optoelectronika a mikroelectronika solární články spektroskopie mikroskopie plazmonika optika blízkého pole metatateriály

Na toto téma se hodně píše

Obsah ÚVOD POHLED DO MIKROSVĚTA OD ELEKTRONIKY K FOTONICE FYZIKA PRO NANOFOTONIKU PERIODICKÉ KRYSTALY NANOFOTONIKA V PRAXI

POHLED DO MIKROSVĚTA

Jak se podívat na nanometrové objekty? okem optickým mikroskopem difrakční limit je λ/2 elektronovým mikroskopem

Můžeme vidět nanometrové objekty očima? ANO ALE ! Nevidíme vlastní strukturu, ale pouze její projevy. Barva motýlích křídel (Morpho) je způsobená fotonickými krystaly – strukturou na škále stovek nanometrů. © Tina R. Matin et al.

Barevná skla Toto barvení skla se používalo také ve vitrážích kostelů. Barevné sklo se připravovalo přidáním různých kovů nebo oxidů kovů do skla při jeho výrobě (Mn, Se, Co, Cu, Ni) Za barvu skla jsou zodpovědné plazmony.

Luminiscence kvantových teček Barva vyzařování je díky rozměrovému kvantování určená velikostí kvantových teček (CdS, CdSe, InAs, InP) .

Mikroskopie uhlíkových teček na papírku Mikroskop Olympus

2 µm

1µm Horizontální rozlišení optického konfokálního mikroskopu je pro modrý laser (400 nm) řádově 200 nm. Výškové rozlišení je řádově 10 nm

Obsah ÚVOD POHLED DO MIKROSVĚTA OD ELEKTRONIKY K FOTONICE FYZIKA PRO NANOFOTONIKU PERIODICKÉ KRYSTALY NANOFOTONIKA V PRAXI

OD ELEKTRONIKY K FOTONICE

Nano-elektronika versus nano-fotonika ELEKTRONIKA FOTONIKA tranzistory vláknová optika 1970 integrované obvody planární vlnovody 1980 mikroprocesory integrované optické obvody 2000 fotonické krystaly 32nm technologie zmenšování rozměrů a urychlování

Optická vlákna Optická vlákna se vyrábějí z oxidu křemíku SiO2 Jednomódové vlákno – struktura 1. Core (jádro) 8 µm 2. Cladding (plášť) 125 µm 3. Buffer (ochranná vrstva) 250 µm 4. Jacket (obal) 400 µm © http://cs.wikipedia.org

Proč se optická vlákna používají? Elektrické signály ve vodičích se vzájemně ruší a je potřeba stíněné kabely. Signály v optických vláknech se navzájem neovlivňují. Jedním vláknem se mohou současně šířit různé signály (na různých barvách). Optická vlákna s ochranným obalem jsou použitelná ve všech možných i extrémních podmínkách (kabely pod mořem). Větší šířka pásma umožňuje rychlejší přenos dat na velké vzdálenosti (internet po optickém vlákně).

Nano-elektronika společně s nano-fotonikou Synchronizace obvodů na procesorovém čipu je zajištěna laserovým svazkem rozvedeným ve vlnovodu k jednotlivým obvodům. © Intel

Základní prvky pro nanofotonikou na čipu Laser s heterostrukturou GaAs/GaAlAs Vlnovod Fotodetektor

Obsah ÚVOD POHLED DO MIKROSVĚTA OD ELEKTRONIKY K FOTONICE FYZIKA PRO NANOFOTONIKU PERIODICKÉ KRYSTALY NANOFOTONIKA V PRAXI

FYZIKA PRO NANOFOTONIKU

Základní parametry nanosvěta Fyzika nanosvěta řeší interakci fotonů s elektrony v látce. Elektrony i fotony jsou elementární částice projevují se u nich vlnové i částicové vlastnosti z klasického pohledu jsou zcela odlišné z pohledu kvantové mechaniky mají hodně společného Hlavní dva rozdíly jsou: 1. Elektrony jsou popsány skalární vlnovou funkcí, kdežto fotony (světlo) je vektorové pole, které popisuje polarizaci. 2. Elektrony přenášejí hmotu, elektrický náboj a spin, světlo nemá náboj ani spin ale má polarizaci.

Co je společné? Elektron má klidovou hmotnost Pro foton můžeme spočítat hmotnost pomocí Einsteinova vztahu pro energii Foton má vlnovou délku Pro elektron můžeme spočítat vlnovou délku pomocí de Broglieova vztahu Pro oba můžeme definovat vlnový vektor Protože elektron má mnohem kratší vlnovou délku platí

Základní rovnice pro fotony Šíření světla (fotonů) popisuje vlnová rovnice, odvozuje se z Maxwellových rovnic. Řešení ve volném prostoru je rovinná vlna Energie jednoho kvanta (fotonu)

Základní rovnice pro elektrony Chování elektronů popisuje Schrödingerova rovnice. Řešení ve volném prostoru je rovinná vlna Energie volného elektronu

Energie elektronu a fotonu ve volném prostoru vlnový vektor je reálný a určuje prostorovou frekvenci Energetická závislost je pro fotony lineární, vlnové délky jsou dlouhé a vlnový vektor je krátký. Energetická závislost je pro elektrony kvadratická, vlnové délky jsou krátké a vlnový vektor je delší.

Obsah ÚVOD POHLED DO MIKROSVĚTA OD ELEKTRONIKY K FOTONICE FYZIKA PRO NANOFOTONIKU PERIODICKÉ KRYSTALY NANOFOTONIKA V PRAXI

PERIODICKÉ KRYSTALY

Prostorové kvantování Prostorové omezení vede na kvatování spektra dovolených energií foton elektron planární vlnovod kvantová jáma 2D optické vlkno 1D kvantový drát mikroskopický optický rezonátor 0D kvantová tečka

Elektrony a fotony v krystalu Prostorové omezení pro elektrony je způsobeno coulombovským potenciálem, který vystupuje ve Schrödingerově rovnici. Různé potenciály dávají různá energetická spektra. krystal, perioda 0.2 nm čárové atomární spektrum pásové spektrum krystalu Prostorové omezení pro fotony je popsáno indexem lomu, který vystupuje ve vlnové rovnici. Různé profily indexu lomu dávají různá energetická spektra. fotonický krystal perioda 200 nm

Periodické struktury pro elektrony Výzkum periodických struktur začal studiem krystalických látek. Periodický potenciál s periodou řádově 0.2 nm způsobuje to, že energetické spektrum elektronů se rozdělí na dovolené a zakázané pásy. NaCl Fe FCC

Periodické struktury pro fotony Proto se začaly studovat materiály s periodickým rozložením indexu lomu s typickými rozměry 200 nm. periodické ve třech osách periodické v jedné ose periodické ve dvou osách © http://www.physics.buffalo.edu © http://www.photonic-lattice.com

Obsah ÚVOD POHLED DO MIKROSVĚTA OD ELEKTRONIKY K FOTONICE FYZIKA PRO NANOFOTONIKU PERIODICKÉ KRYSTALY NANOFOTONIKA V PRAXI

NANOFOTONIKA V PRAXI

Fotonické krystaly Zatímco v pevnolátkových krystalech je krystalová struktura daná rovnovážným uspořádáním atomů u fotonických krystalů vytváříme strukturu s periodou řádově 100 nm a máme tedy možnost si navrhnout strukturu, která bude mít vlastnosti které požadujeme. Máme možnost připravit struktury s takřka neomezenou škálu optických vlastností "šitých na míru". 1. Fotonické krystaly s defekty mohou pracovat jako frekvenční filtry s velmi úzkým pásmem propustnosti. 2. Pro některé interakce optických polí neexistují v přírodě vhodné materiály, fotonické krystaly toto mohou vyřešit. 3. Lze také navrhnout struktury jejichž optické vlastnostmi lze řídit vnějšími parametry jako jsou elektrické pole nebo teplota.

1D nanofotonické krystaly Využití 1D struktur jako antireflexní vrstvy (minimální odrazivost) nebo reflexní vrstvy (zrcadlo s vysokou odrazivostí). typické tloušťky vrstev jsou 100 – 200 nm Braggovská zrcadla © http://lts.fzu.cz/cz/res-ps.htm © http://www.thorlabs.de

2D fotonická vlákna Bragg fiber, světlo je uzavřené braggovským zrcadlem ze soustředných válců. Hollow Core fiber, světlo se drží ve středové dutině díky zakázanému pásu vlákna (minimální ztrty) Solid Photonic fiber, světlo se drží v ose díky vyššímu indexu lomu. Díky lokalizaci pole mohou být zesíleny nelineární efekty (generace druhé harmonické). Lze vyrobit fotonická vlákna s nulovou disperzí. nebo vlákna pro zesílení nelineárních procesů. © http://www.physics.buffalo.edu

Nanofotonická vlákna

3D fotonické krystaly © J.D. Williams et al., Journal of Micro/Nanolithography 2010

Aplikace fotonických krystalů super-hranol - hranol s velkou úhlovou disperzí generace druhé harmonické ve fotonickém vlákně. Např. červené světlo konvertuji namodré.

Aplikace fotonických krystalů směrování optického svazku Optický spínač zelený svazek otvírá cestu pro červený svazek. Analogie k tranzistoru. © http://www.fysik-nano.fotonik.dtu.dk

struktura s nulovým indexem lomu solární články založené na grafenu N. Phot. 4, 611 (2010). N. Phot. 9, 738 (2015).

KONEC