باند ارتباطی نوری، تشدیدگر نوری فوق نازک

باند ارتباطی نوری، تشدیدگر نوری فوق نازک
تشدیدگرهای نوری می‌توانند طول موج‌های خاصی از امواج نور را در یک فضای محدود متمرکز کنند و کاربردهای مهمی در برهمکنش نور-ماده دارند.ارتباط نوری، حسگری نوری و ادغام نوری. اندازه تشدیدگر عمدتاً به ویژگی‌های ماده و طول موج عملیاتی بستگی دارد، به عنوان مثال، تشدیدگرهای سیلیکونی که در باند مادون قرمز نزدیک کار می‌کنند، معمولاً به ساختارهای نوری صدها نانومتر و بالاتر نیاز دارند. در سال‌های اخیر، تشدیدگرهای نوری صفحه‌ای فوق نازک به دلیل کاربردهای بالقوه‌شان در رنگ ساختاری، تصویربرداری هولوگرافی، تنظیم میدان نور و دستگاه‌های اپتوالکترونیکی توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند. چگونگی کاهش ضخامت تشدیدگرهای صفحه‌ای یکی از مشکلات دشواری است که محققان با آن مواجه هستند.
عایق‌های توپولوژیکی سه‌بعدی (مانند تلورید بیسموت، تلورید آنتیموان، سلنید بیسموت و غیره) برخلاف مواد نیمه‌هادی سنتی، مواد اطلاعاتی جدیدی با حالت‌های سطح فلزی و حالت‌های عایق محافظت‌شده از نظر توپولوژیکی هستند. حالت سطح توسط تقارن وارونگی زمان محافظت می‌شود و الکترون‌های آن توسط ناخالصی‌های غیرمغناطیسی پراکنده نمی‌شوند که چشم‌انداز کاربردی مهمی در محاسبات کوانتومی کم‌مصرف و دستگاه‌های اسپینترونیک دارد. در عین حال، مواد عایق توپولوژیکی همچنین خواص نوری عالی مانند ضریب شکست بالا، میدان غیرخطی بزرگ و ... را نشان می‌دهند.نوریضریب، محدوده طیف کاری گسترده، قابلیت تنظیم، ادغام آسان و غیره، که بستری جدید برای تحقق تنظیم نور فراهم می‌کند ودستگاه‌های اپتیکی.
یک تیم تحقیقاتی در چین روشی را برای ساخت تشدیدگرهای نوری فوق نازک با استفاده از نانوفیلم‌های عایق توپولوژیکی بیسموت تلورید با رشد ناحیه بزرگ پیشنهاد کرده است. حفره نوری، ویژگی‌های جذب رزونانسی آشکاری را در باند نزدیک مادون قرمز نشان می‌دهد. تلورید بیسموت دارای ضریب شکست بسیار بالایی بیش از 6 در باند ارتباط نوری است (بالاتر از ضریب شکست مواد سنتی با ضریب شکست بالا مانند سیلیکون و ژرمانیوم)، به طوری که ضخامت حفره نوری می‌تواند به یک بیستم طول موج رزونانس برسد. در همان زمان، تشدیدگر نوری بر روی یک کریستال فوتونی یک بعدی رسوب داده می‌شود و یک اثر شفافیت القایی الکترومغناطیسی جدید در باند ارتباط نوری مشاهده می‌شود که به دلیل جفت شدن تشدیدگر با پلاسمون تام و تداخل مخرب آن است. پاسخ طیفی این اثر به ضخامت تشدیدگر نوری بستگی دارد و در برابر تغییر ضریب شکست محیط مقاوم است. این کار راه جدیدی را برای تحقق حفره نوری فوق نازک، تنظیم طیف ماده عایق توپولوژیکی و دستگاه‌های اپتوالکترونیکی باز می‌کند.
همانطور که در شکل‌های 1a و 1b نشان داده شده است، تشدیدگر نوری عمدتاً از یک عایق توپولوژیکی تلورید بیسموت و نانوفیلم‌های نقره تشکیل شده است. نانوفیلم‌های تلورید بیسموت تهیه شده با روش کندوپاش مگنترون دارای مساحت بزرگ و مسطح بودن خوبی هستند. هنگامی که ضخامت فیلم‌های تلورید بیسموت و نقره به ترتیب 42 نانومتر و 30 نانومتر باشد، حفره نوری جذب رزونانس قوی در باند 1100 تا 1800 نانومتر را نشان می‌دهد (شکل 1c). هنگامی که محققان این حفره نوری را روی یک کریستال فوتونی ساخته شده از پشته‌های متناوب لایه‌های Ta2O5 (182 نانومتر) و SiO2 (260 نانومتر) ادغام کردند (شکل 1e)، یک دره جذب متمایز (شکل 1f) در نزدیکی پیک جذب رزونانس اصلی (~1550 نانومتر) ظاهر شد، که مشابه اثر شفافیت القایی الکترومغناطیسی تولید شده توسط سیستم‌های اتمی است.

ماده تلورید بیسموت با استفاده از میکروسکوپ الکترونی عبوری و بیضی‌سنجی مشخصه‌یابی شد. شکل 2a-2c تصاویر میکروسکوپ الکترونی عبوری (تصاویر با وضوح بالا) و الگوهای پراش الکترونی منتخب از نانوفیلم‌های تلورید بیسموت را نشان می‌دهد. از شکل می‌توان دریافت که نانوفیلم‌های تلورید بیسموت تهیه‌شده، مواد پلی‌کریستالی هستند و جهت رشد اصلی آنها صفحه کریستالی (015) است. شکل 2d-2f ضریب شکست مختلط تلورید بیسموت اندازه‌گیری شده توسط بیضی‌سنج و ضریب شکست مختلط حالت سطحی و حالت برازش شده را نشان می‌دهد. نتایج نشان می‌دهد که ضریب خاموشی حالت سطحی در محدوده 230 تا 1930 نانومتر بزرگتر از ضریب شکست است که نشان‌دهنده ویژگی‌های شبه فلزی است. ضریب شکست جسم وقتی طول موج بیشتر از ۱۳۸۵ نانومتر باشد، بیش از ۶ است که بسیار بالاتر از ضریب شکست سیلیکون، ژرمانیوم و سایر مواد سنتی با ضریب شکست بالا در این باند است که پایه و اساسی برای تهیه تشدیدگرهای نوری فوق نازک فراهم می‌کند. محققان خاطرنشان می‌کنند که این اولین تحقق گزارش شده از یک حفره نوری مسطح عایق توپولوژیکی با ضخامت تنها ده‌ها نانومتر در باند ارتباط نوری است. متعاقباً، طیف جذبی و طول موج رزونانس حفره نوری فوق نازک با ضخامت تلورید بیسموت اندازه‌گیری شد. در نهایت، تأثیر ضخامت لایه نقره بر طیف‌های شفافیت القایی الکترومغناطیسی در ساختارهای نانوکاواک/کریستال فوتونی تلورید بیسموت بررسی شده است.

با تهیه لایه‌های نازک مسطح با مساحت بزرگ از عایق‌های توپولوژیکی تلورید بیسموت و بهره‌گیری از ضریب شکست فوق‌العاده بالای مواد تلورید بیسموت در باند مادون قرمز نزدیک، یک حفره نوری مسطح با ضخامت تنها ده‌ها نانومتر به دست می‌آید. این حفره نوری فوق‌العاده نازک می‌تواند جذب نور رزونانس کارآمد را در باند مادون قرمز نزدیک محقق کند و از ارزش کاربردی مهمی در توسعه دستگاه‌های اپتوالکترونیکی در باند ارتباط نوری برخوردار است. ضخامت حفره نوری تلورید بیسموت نسبت به طول موج رزونانس خطی است و از حفره نوری سیلیکون و ژرمانیوم مشابه کوچکتر است. در عین حال، حفره نوری تلورید بیسموت با کریستال فوتونی ادغام می‌شود تا به اثر نوری غیرعادی مشابه شفافیت القایی الکترومغناطیسی سیستم اتمی دست یابد، که روش جدیدی برای تنظیم طیف ریزساختار ارائه می‌دهد. این مطالعه نقش خاصی در ارتقای تحقیقات مواد عایق توپولوژیکی در تنظیم نور و دستگاه‌های عملکردی نوری ایفا می‌کند.