Přednáška č 1: Úvod do nanofotoniky

Prezentace na téma: "Přednáška č 1: Úvod do nanofotoniky"— Transkript prezentace:

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

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

3 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

4 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

5 Na toto téma se hodně píše

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

7 POHLED DO MIKROSVĚTA

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

9 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.

10 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.

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

12 Mikroskopie uhlíkových teček na papírku
Mikroskop Olympus

13

14

15

16 2 µm

17 1µm Horizontální rozlišení optického konfokálního mikroskopu je pro modrý laser (400 nm) řádově 200 nm. Výškové rozlišení je řádově 10 nm

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

19 OD ELEKTRONIKY K FOTONICE

20 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

21 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 ©

22 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).

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

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

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

26 FYZIKA PRO NANOFOTONIKU

27 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.

28 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

29 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)

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

31 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.

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

33 PERIODICKÉ KRYSTALY

34 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

35 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

36 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

37 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 © ©

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

39 NANOFOTONIKA V PRAXI

40 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.

41 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 © ©

42 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. ©

43 Nanofotonická vlákna

44 3D fotonické krystaly © J.D. Williams et al., Journal of Micro/Nanolithography 2010

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

46 Aplikace fotonických krystalů
směrování optického svazku Optický spínač zelený svazek otvírá cestu pro červený svazek. Analogie k tranzistoru. ©

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

48 KONEC