ย่านความถี่การสื่อสารด้วยแสง, ตัวเรโซเนเตอร์แสงแบบบางพิเศษ

ย่านความถี่การสื่อสารด้วยแสง, ตัวเรโซเนเตอร์แสงแบบบางพิเศษ
ตัวเรโซเนเตอร์เชิงแสงสามารถจำกัดความยาวคลื่นแสงเฉพาะในพื้นที่จำกัด และมีการประยุกต์ใช้ที่สำคัญในด้านปฏิสัมพันธ์ระหว่างแสงกับสสารการสื่อสารด้วยแสงการตรวจจับด้วยแสง และการรวมระบบด้วยแสง ขนาดของตัวเรโซเนเตอร์ส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับคุณลักษณะของวัสดุและความยาวคลื่นในการทำงาน ตัวอย่างเช่น ตัวเรโซเนเตอร์ซิลิคอนที่ทำงานในย่านอินฟราเรดใกล้โดยทั่วไปแล้วต้องการโครงสร้างทางแสงที่มีความหนาหลายร้อยนาโนเมตรขึ้นไป ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ตัวเรโซเนเตอร์แบบระนาบที่บางมากได้รับความสนใจอย่างมากเนื่องจากศักยภาพในการใช้งานในด้านสีเชิงโครงสร้าง การสร้างภาพโฮโลแกรม การควบคุมสนามแสง และอุปกรณ์อิเล็กโทรออปติกส์ วิธีการลดความหนาของตัวเรโซเนเตอร์แบบระนาบเป็นหนึ่งในปัญหาที่ยากลำบากที่นักวิจัยต้องเผชิญ
แตกต่างจากวัสดุเซมิคอนดักเตอร์แบบดั้งเดิม ฉนวนเชิงทอพอโลยี 3 มิติ (เช่น บิสมัทเทลลูไรด์ แอนติโมนีเทลลูไรด์ บิสมัทซีลีไนด์ เป็นต้น) เป็นวัสดุข้อมูลใหม่ที่มีสถานะพื้นผิวโลหะและสถานะฉนวนที่ได้รับการปกป้องเชิงทอพอโลยี สถานะพื้นผิวได้รับการปกป้องโดยสมมาตรของการผกผันเวลา และอิเล็กตรอนจะไม่ถูกกระเจิงโดยสิ่งเจือปนที่ไม่ใช่แม่เหล็ก ซึ่งมีแนวโน้มการใช้งานที่สำคัญในด้านการคำนวณควอนตัมพลังงานต่ำและอุปกรณ์สปินโทรนิกส์ ในขณะเดียวกัน วัสดุฉนวนเชิงทอพอโลยียังแสดงคุณสมบัติทางแสงที่ยอดเยี่ยม เช่น ดัชนีหักเหสูง และค่าไม่เชิงเส้นขนาดใหญ่ออปติคอลค่าสัมประสิทธิ์ ช่วงสเปกตรัมการทำงานที่กว้าง ความสามารถในการปรับแต่ง การบูรณาการที่ง่าย ฯลฯ ซึ่งเป็นแพลตฟอร์มใหม่สำหรับการควบคุมแสงและอุปกรณ์อิเล็กโทรออปติก.
ทีมวิจัยในประเทศจีนได้เสนอวิธีการสร้างตัวเรโซเนเตอร์เชิงแสงบางเฉียบโดยใช้ฟิล์มนาโนของฉนวนทอพอโลยีบิสมัทเทลลูไรด์ที่เติบโตบนพื้นที่ขนาดใหญ่ โพรงแสงแสดงลักษณะการดูดซับแบบเรโซแนนซ์ที่ชัดเจนในย่านอินฟราเรดใกล้ บิสมัทเทลลูไรด์มีดัชนีหักเหสูงมากมากกว่า 6 ในย่านการสื่อสารทางแสง (สูงกว่าดัชนีหักเหของวัสดุที่มีดัชนีหักเหสูงแบบดั้งเดิม เช่น ซิลิคอนและเจอร์มาเนียม) ดังนั้นความหนาของโพรงแสงจึงสามารถเข้าถึงหนึ่งในยี่สิบของความยาวคลื่นเรโซแนนซ์ได้ ในขณะเดียวกัน ตัวเรโซเนเตอร์เชิงแสงถูกวางลงบนผลึกโฟตอนิกแบบหนึ่งมิติ และสังเกตเห็นปรากฏการณ์ความโปร่งใสที่เหนี่ยวนำด้วยแม่เหล็กไฟฟ้าแบบใหม่ในย่านการสื่อสารทางแสง ซึ่งเกิดจากการเชื่อมต่อของเรโซเนเตอร์กับพลาสมอนแทมม์และการรบกวนแบบทำลายล้าง การตอบสนองทางสเปกตรัมของปรากฏการณ์นี้ขึ้นอยู่กับความหนาของเรโซเนเตอร์เชิงแสงและมีความทนทานต่อการเปลี่ยนแปลงของดัชนีหักเหของสิ่งแวดล้อม งานวิจัยนี้เปิดทางใหม่สำหรับการสร้างโพรงแสงบางเฉียบ การควบคุมสเปกตรัมของวัสดุฉนวนเชิงทอพอโลยี และอุปกรณ์อิเล็กโทรออปติก
ดังแสดงในรูปที่ 1a และ 1b ตัวเรโซเนเตอร์เชิงแสงประกอบด้วยฉนวนทอพอโลยีบิสมัทเทลลูไรด์และฟิล์มนาโนเงินเป็นหลัก ฟิล์มนาโนบิสมัทเทลลูไรด์ที่เตรียมโดยวิธีการสปัตเตอร์แบบแมกเนตรอนมีพื้นที่ขนาดใหญ่และมีความเรียบดี เมื่อความหนาของฟิล์มบิสมัทเทลลูไรด์และฟิล์มเงินอยู่ที่ 42 นาโนเมตรและ 30 นาโนเมตรตามลำดับ โพรงแสงจะแสดงการดูดซับแบบเรโซแนนซ์ที่รุนแรงในช่วง 1100~1800 นาโนเมตร (รูปที่ 1c) เมื่อนักวิจัยรวมโพรงแสงนี้เข้ากับผลึกโฟตอนิกที่ทำจากชั้น Ta2O5 (182 นาโนเมตร) และ SiO2 (260 นาโนเมตร) สลับกัน (รูปที่ 1e) จะปรากฏหุบเขาการดูดซับที่ชัดเจน (รูปที่ 1f) ใกล้กับจุดสูงสุดของการดูดซับแบบเรโซแนนซ์เดิม (~1550 นาโนเมตร) ซึ่งคล้ายกับปรากฏการณ์ความโปร่งใสที่เหนี่ยวนำด้วยสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดจากระบบอะตอม

วัสดุบิสมัทเทลลูไรด์ได้รับการตรวจสอบลักษณะโดยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่านและเอลลิปโซเมตรี รูปที่ 2a-2c แสดงภาพจุลภาคอิเล็กตรอนแบบส่งผ่าน (ภาพความละเอียดสูง) และรูปแบบการเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอนที่เลือกของฟิล์มนาโนบิสมัทเทลลูไรด์ จากรูปจะเห็นได้ว่าฟิล์มนาโนบิสมัทเทลลูไรด์ที่เตรียมได้เป็นวัสดุผลึกหลายเหลี่ยม และทิศทางการเติบโตหลักคือระนาบผลึก (015) รูปที่ 2d-2f แสดงดัชนีหักเหเชิงซ้อนของบิสมัทเทลลูไรด์ที่วัดโดยเอลลิปโซเมตรี และสถานะพื้นผิวและดัชนีหักเหเชิงซ้อนของสถานะที่เหมาะสม ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสงของสถานะพื้นผิวมีค่ามากกว่าดัชนีหักเหในช่วง 230~1930 นาโนเมตร ซึ่งแสดงลักษณะคล้ายโลหะ ดัชนีหักเหของตัววัสดุมีค่ามากกว่า 6 เมื่อความยาวคลื่นมากกว่า 1385 นาโนเมตร ซึ่งสูงกว่าซิลิคอน เจอร์มาเนียม และวัสดุที่มีดัชนีหักเหสูงแบบดั้งเดิมอื่นๆ ในช่วงความยาวคลื่นนี้มาก ซึ่งเป็นการวางรากฐานสำหรับการเตรียมตัวเรโซเนเตอร์เชิงแสงแบบบางพิเศษ นักวิจัยชี้ว่านี่เป็นการสร้างโพรงแสงแบบระนาบฉนวนเชิงทอพอโลยีที่มีความหนาเพียงไม่กี่สิบนาโนเมตรในย่านความถี่การสื่อสารทางแสงเป็นครั้งแรกที่มีการรายงาน ต่อมาได้ทำการวัดสเปกตรัมการดูดกลืนและความยาวคลื่นเรโซแนนซ์ของโพรงแสงแบบบางพิเศษโดยพิจารณาความหนาของบิสมัทเทลลูไรด์ สุดท้ายได้ทำการศึกษาผลของความหนาของฟิล์มเงินต่อสเปกตรัมความโปร่งใสที่เหนี่ยวนำด้วยสนามแม่เหล็กไฟฟ้าในโครงสร้างนาโนโพรง/ผลึกโฟตอนิกส์บิสมัทเทลลูไรด์

ด้วยการเตรียมฟิล์มบางแบนราบขนาดใหญ่ของฉนวนทอพอโลยีบิสมัทเทลลูไรด์ และใช้ประโยชน์จากดัชนีหักเหสูงมากของวัสดุบิสมัทเทลลูไรด์ในย่านอินฟราเรดใกล้ ทำให้ได้โพรงแสงแบบระนาบที่มีความหนาเพียงไม่กี่สิบนาโนเมตร โพรงแสงที่บางมากนี้สามารถดูดซับแสงแบบเรโซแนนซ์ได้อย่างมีประสิทธิภาพในย่านอินฟราเรดใกล้ และมีคุณค่าในการประยุกต์ใช้ที่สำคัญในการพัฒนาอุปกรณ์อิเล็กโทรออปติกในย่านการสื่อสารด้วยแสง ความหนาของโพรงแสงบิสมัทเทลลูไรด์เป็นสัดส่วนเชิงเส้นกับความยาวคลื่นเรโซแนนซ์ และมีขนาดเล็กกว่าโพรงแสงซิลิคอนและเจอร์มาเนียมที่คล้ายกัน ในขณะเดียวกัน โพรงแสงบิสมัทเทลลูไรด์ยังถูกรวมเข้ากับผลึกโฟตอนิกเพื่อให้ได้ผลทางแสงที่ผิดปกติคล้ายกับการโปร่งใสที่เหนี่ยวนำด้วยแม่เหล็กไฟฟ้าของระบบอะตอม ซึ่งเป็นวิธีการใหม่สำหรับการควบคุมสเปกตรัมของโครงสร้างจุลภาค การศึกษานี้มีบทบาทสำคัญในการส่งเสริมการวิจัยวัสดุฉนวนทอพอโลยีในการควบคุมแสงและอุปกรณ์ฟังก์ชันทางแสง