Veijo Hänninen

Plasmoniikkaa hyödyntäen

Plasmoniikka on realisoitumassa elektronin ja valon välittäjäksi tulevaisuuden elektroniikassa.

Kun esimerkiksi infrapunavalo osuu sopivan puolijohteen pintaan sen elektronit alkavat resonoimaan samalla taajuudella kuin infrapunavalo eli säilyttäen optista informaatiota, mutta kutistaen sen mittoihin, jotka ovat yhteensopivia elektronisten piirien kanssa. Pintaplasmonit ovat koherentteja delokalisoituneita elektronivärähtelyjä kahden eri materiaalin välisessä rajapinnassa.

Pintaplasmonien polaritonit ovat sähkömagneettisia aaltoja, jotka kulkevat esimerkiksi metallin ja eristeen rajapintaa pitkin. Niiden aaltoon liittyy sekä varausten liikettä metallissa että sähkömagneettisia aaltoja eristeessä mutta ne heikkenevät edetessään nopeasti.

Pintaplasmonien viritystä käytetään usein kokeellisessa tekniikassa, joka tunnetaan pintaplasmoniresonanssina (SPR). Tätä tekniikkaa voidaan käyttää havainnoimaan nanometrien muutoksia paksuuteen, tiheysvaihteluihin tai molekyylien absorboitumiseen.

Sopivan materiaalin etsintää

Käytännön toteutuksissa plasmoniset perusmateriaalit kuten kulta ja hopea olisivat käytännöllisiä ja mutta häviöllisiä. Ne eivät myöskään ole yhteensopivia CMOS-valmistusprosessin kanssa.

Sinänsä uudenlaisten materiaalien tuottaminen ei ole erityisen vaikeata, sillä jopa tavanomaisen mustesuihkutulostimen ja hopean avulla Utahin yliopiston tutkijat ovat tuottaneet mikroskooppisia rakenteita, jotka toteuttavat plasmonisia ilmiöitä.

Tutkijat pyrkivät kuitenkin korvaamaan metallit materiaaleilla, jotka on luotu käyttämällä kahta vaihtoehtoa: tehdä puolijohteet enemmän metallimaisiksi tai lisäämällä ei-metallisia elementtejä metalliin.

University of California San Diegon insinöörit ovat puolestaan kehittäneet metamateriaalin, joka voi vähentää häviöitä. He kompensoivat hävikkiä käyttämällä metallin kanssa puolijohdetta vahvistavana elementtinä.

Tehostusta orgaanisille

Etelä-Korealaisen Ulsan National Institute of Science and Technologyn (UNIST) tutkijat saavuttivat vuonna 2013 huomattavan parannuksen polymeeripohjaisen optoelektroniikan rakenteiden suorituskykyyn.

Heidän kehittämää plasmonista materiaalia voidaan soveltaa sekä polymeerisissä valodiodeissa että aurinkokennoissa. Materiaali on helppo syntetisoida peruslaitteilla matalan lämpötilan liuoksesta.Työ ennakoi myös sellaisten sähköisesti ohjattujen laserlaitteiden toteutumista, joissa hyödynnetään hiilipiste tuettuja hopeisia nanopartikkeleita (CD-Ag NPS) plasmonisena materiaaleina.

Aurinkokennon tehostus

Rice yliopisto kertoi viime kesänä valon ylösmuuntamisen metodista, joka voisi tehdä aurinkokennoista tehokkaampia ja sairauksiin kohdistetuista nanohiukkasista tehokkaampia.
Professori Gururaj Naik on yhdistellyt plasmonisia metalleja ja puolijohtavia kvanttikaivoja kasvattamaan valon taajuutta eli vaihtamaan sen väriä.

Kun galliumnitridistä ja indiumgalliumnitridistä rakentuvia nanopylväitä viritetään tietyllä valon aallonpituudella, täplä kultaa niiden kärjessä muuntaa valoenergian plasmoneiksi.Yleisesti on osoitettu, että viritetyt plasmoniset materiaalit virittävät myös kuumia elektroneja ja aukkoja.

Tavallisesti ne haihtuvat hävikiksi mutta Naikin tutkijakumppanit osoittivat, että optisen hävikin voi poimia talteen sähkön muodossa. Naikin ajatus on laittaa ne takaisin optiseen muotoon.Nykyisten valon ylösmuuntimien hyötysuhteet ovat noin 5-10 prosenttia, mutta kehitetyllä metodilla voitaneen saavuttaa 25 prosenttinen hyötysuhde.

Katalyytin tehostaminen

Tutkimusmaailmassa on tuotettu plasmonisilla metalleilla myös valokemiallisia reaktioita yhdistämällä plasmoniikkaa ja katalyyttisiä metalleja.

University of Michiganissa tehty tutkimustyö osoitti miten valosta energiaa keräävä metalli siirtää energiaa katalyyttiseen metalliin. Näin katalyytti voidaan valmistaa plasmonisista metalleista, joita on tehostettu hyvillä katalyyttimateriaaleilla.

Tutkijat osoittivat, että energiset elektronit eivät hypi valon kaappaajasta katalyyttiin vaan plasmoninen metalli toimii pikemminkin kuin radioantenni ja katalyytti kuin vastaanotin. Valoa läpäisevällä ohuella platinakerroksella pinnoitettu hopea muuntaa valoa pintaplasmoneiksi, joiden energia siirtyy platinapinnoitteeseen hopean ja platinan yhteisten elektronien kautta.

Löydettyä mekanismia voidaan hyödyntää kehitettäessä tehokkaita ja selektiivisiä katalyyttejä.

University of Central Floridan tutkijat ovat puolestaan kehittäneet hybridin nanomateriaalin, joka hyödyntää aurinkoenergiaa ja käyttää sitä vedyn tuottamiseen vedestä. Kyseessä on MoS2/TiO2-heterorakenne ei-metallisina plasmonisena valokatalysaattorina tehokkaaseen vedyn tuottoon.

Plasmoneilla molekyylien tarkkuuksiin

Yksi plasmoniikan vaikutuksien avaama mahdollisuus on alle aallonpituisen valon fokusointi, mikä lisää plasmonisten laitteiden herkkyyttä pisteeseen, jossa ne voivat erottaa yksittäisiä molekyylejä. Tällaiset mittaukset ovat mikä tahansa tavanomaisen optisen laitteen saavuttamattomissa.

Moscow Institute of Physics and Technologyn (MIPT) fyysikot ovat havainneet, että grafeeni voisi olla ihanteellinen aine valmistaa plasmonisia rakenteita, jotka kykenevät havaitsemaan räjähteitä, myrkyllisiä kemikaaleja ja muita orgaanisia yhdisteitä, yksittäisen molekyylin perusteella.

Valitettavasti plasmoneilla on metalleissa taipumus menettää energiaa joten ne tarvitsevat jatkuvaa herätettä. Työssään, tutkijat hahmottivat pintaplasmonia emittoivan diodin (SPED) ja laserin nanoplasmonisen vastineen (spaserin) toimintaa, kun näihin rakenteisiin liittyy grafeenikerros.

Grafeenispaser voitaisiin jopa suunnitella käytettäväksi kompaktina spektrin mittalaitteena, jolla voidaan havaita jopa yksittäinen molekyyli jotain ainetta.Tällaiset anturirakenteet voisivat havaita orgaanisia molekyyleja.

Toiminta perustuisi molekyyleille ominaisiin värähtelysiirtymiin, kun valo emittoituu tai absorboituu keskipitkällä infrapuna-alueella, joka on tarkalleen se missä tämä grafeenipohjainen spaser toimii.

Grafeenin plasmonit kulkevat ballistisesti

Puristaa valo pieniin piireihin ja ohjaamalla sen virtausta sähköllä on pyhä Graali, joka on tullut realistiseksi skenaarioksi grafeenin ja plasmoniikan myötä.

Grafeenilla ohjatut plasmonit voivat rajoittua nanometrien kokoluokkaan, ollen yhdestä kahteen sataa kertaa pienempiä kuin valon aallonpituus. Aiemmin plasmonien on havaittu kuitenkin menettävän nopeasti energiansa, rajoittaen matkaa, jonka ne voisivat kulkea.

Kun grafeeni on kapseloitu boorinitridiin, elektronit voivat liikkua ballistisesti pitkiä matkoja ilman sirontaa, jopa huoneenlämmössä. Näin tämä grafeeni/boorinitridin materiaalijärjestelmä on sopiva rajoittamaan tehokkaasti valoa ja tukahduttamaan plasmonisia häviöitä.

Nämä havainnot avaavat tietä erittäin miniatyrisoiduille optisille piireille ja laitteille, jotka voivat olla hyödyllisiä optisissa ja/tai biologisessa tunnistuksessa, tietojenkäsittelyssä tai tietoliikenteessä

Manchesterin yliopiston johtama tutkimustyö osoittaa puolestaan, kuinka valo voidaan muuntaa sähköiseksi signaaliksi grafeenipohjaisella ilmaisimella.

Tässä työssä grafeeni-ilmaisimen metallikontaktit liitettiin plasmoniseen hilaan, joka mahdollistaa tulevan valon virittää pintaplasmonin polaritoneja (SPP) kontakteissa. Sitten ne kulkevat kontaktia pitkin, kunnes ne saavuttavat grafeenikanavan, jossa ne muunnetaan sähköiseksi signaaliksi.

Suunnittelemalla kontaktit sopivasti on mahdollista käyttää SPP-interferenssiä valoilmaisimien spektrivasteen virittämiseen. Valoilmaisimen lisäksi SPP-interferenssiä voidaan käyttää myös biotunnistukseen.

Toisin kuin tavanomaiset pintaplasmoniresonanssi (SPR) -anturit, jotka perustuvat optiseen luentaan ja suurikokoiseen optiikkaan, tämän myötä on mahdollista suoraan lukea anturin signaali sähköisesti avaamalla reitin edelleen miniaturisoida SPR-pohjaisia antureita.

Anturointia tarpeen mukaan

Northeastern Universityn tutkijat ovat kehittäneet infrapunatunnistimen, joka perustuu plasmoniikkaan ja kykenee käynnistymään itsestään kun sitä tarvitaan tunnistustehtäviään ja sammuttaa itsensä silloin, kun sitä ei tarvita.

Tutkijat hyödynsivät plasmonisia nanorakenteita toimimaan pieninä mekaanisina kytkimiä, jotka saivat energiansa infrapunavalosta. Plasmoni-ilmiö mahdollistaa voimakkaan ja spektrisesti selektiivisen valon absorption saavuttamisen hyvin pienissä rakenteissa.

Anturit havaitsevat ja erottavat kiinnostuksen kohteena olevan infrapunasäteilyn ja muuntavat sen herätebiteiksi ilman, että se kuluttaa sähköenergiaa valmiustilassa. Tämä anturi voisi olla hyödyllinen erilaisten infrapunalähteiden, kuten ihmiskehon ja polttomoottoriautojen havaitsemiseksi.

Niitä voitaisiin käyttää myös seuraamaan kuumien kohteita kuten liekkejä ja räjähdyksiä hälytyksen laukaisemiseksi katastrofin sattuessa.

Valon ja aineen vuorovaikutuksia

Tiedemiesryhmä Vanderbiltin ja Alabama-Birminghamin yliopistoista sekä Los Alamos National Laboratorystä kehitti vuonna 2014 erittäin nopean ja pienen optisen kytkinrakenteen. Se voidaan kytkeä päälle ja pois terahertsien nopeuksilla.

Ne on valmistettu "metamateriaalista", joka koostuu vanadiinidioksidin (VO2) nanohiukkasista, jotka on päällystetty kullan nanohiukkasilla. Vanadiinidioksidi on kiteinen kiinteä aine, joka voi nopeasti vaihtaa edestakaisin läpinäkymättömän metallitilan ja läpinäkyvän puolijohtavan tilan välillä.

Nopeuden ja pienen koon lisäksi vanadiinioksidi-kytkimillä on useita ominaisuuksia, jotka tekevät niistä ihanteellisia optoelektroniikan sovelluksiin. Ne ovat täysin yhteensopivia nykyiseen mikropiiriteknologiaan sekä pii-perustaisille siruille ja uusille high-k eristemateriaaleille.

Vuonna 2015 Aalto yliopiston tutkijat löysivät tavan yhdistää plasmoniikkaa ja magneto-optisia ilmiöitä.

Tutkijat osoittivat kokeellisesti, että magneettisten materiaalien nanopisteiden kuvioryhmät voivat johtaa erittäin vahvaan ja hallittavaan valon polarisaation muokkaukseen kun säde heijastuu kuvioryhmästä. Tämä löytö voisi lisätä optisien komponenttien herkkyyttä tietoliikenteen ja biotunnistuksen sovelluksissa.

Valoa lähettävien laiteiden kuten laserit, näytöt ja muiden ytimessä piilee fotonien emissio mutta niiden sähköisesti ohjatulla modulaatiolla on suuri merkitys sovelluksissa kuten optinen viestintä, anturit ja näytöt.

Lisäksi valoemission polkujen sähköinen hallinta avaa mahdollisuuden uudentyyppisille nanofotoniikan laitteille, jotka perustuvat aktiiviseen plasmoniikkaan.

Tutkijat ICFO, MIT, CNRS, CNISM ja Graphenea ovat osoittaneet aktiivisia, sähköistä energian virtauksen hallintaa erbiumioneista fotoneihin ja plasmoneihin. Erbiumioneilla käytetään optisissa vahvistimissa ja ne säteilevät valoa aallonpituudella 1,5 mikrometriä, niin kutsuttu kolmas teleliikenteen ikkuna.

Tutkimus osoitti, että energian virtaus erbiumista fotoneiksi tai plasmoneihin voidaan ohjata yksinkertaisesti soveltamalla pientä jännitettä.

Plasmonin ja elektronin integraatio

Sveitsiläisen EPFL:n tutkijat yhteistyössä Max Plank Instituten tutkijoiden kanssa selvittivät vuonna 2013 kuinka plasmoneja voitaisiin ohjata. Löytö pohjustaa plasmoniikan ja perinteisten elektronisten piirien integrointia.

Perusideana on käyttää valoa koodaamaan ja siirtämään dataa optisilla taajuuksilla metallin tai puolijohteen pinnalla. Koska plasmonit ovat virittyneiden pintaelektronien aaltoja todellisten liikkuvien hiukkasten sijasta plasmoninen siirto voi olla kertaluokkaa nopeampaa kuin sähköinen.Suurin este integroida plasmoniikkaa perinteisiin elektronisiin piireihin on, että rakenteet ja ilmiöt ovat nanomittaisia.

Siten ne vaativat hallittavissa olevia nanoelektroniikan ja nano-optiikan välisiä rajapintoja. Tutkijat osoittivat, että metallipinnan molekyyliorbitaalit toimivat pieninä portteina, jotka voivat ohjata plasmoneja energeettisesti ja avaruudellisesti.

Ratkaisu piilee yksittäisissä molekylaarisissa orbitaaleissa: matemaattisia funktioita, jotka kuvaavat elektronipilvien muotoja kun atomit liittyvät yksittäiseksi molekyyliksi. Löytö osoittaa, että molekylaarisia tunneliliitoksia voi käyttää sähköisesti ohjattuina plasmonien lähteinä.

Tutkijat avaavat tietä plasmonisille siruille

Pintaplasmonien polaritoneja on esitetty käytettäväksi informaation kantajina mikrosirujen sisäisessä optisessa tiedonsiirrossa, mutta ongelmana on, että signaali vaimenee erittäin nopeasti.

Moscow Institute of Physics and Technologyn (MIPT) tutkijat ovat esittäneet ratkaisun poistaa optisien rakenteiden energiahäviöt pintaplasmoneista.Eräs ratkaisu on kompensoida etenemishäviöitä pumppaamalla pintaplasmonin polaritoneihin lisäenergiaa.

Tässä ratkaisussa se tapahtuu aiemmista kokeiluista poiketen sähköisesti, mikä on myös käytännön edellytys jotta plasmonisia aaltojohtoja voisi integroida mikrosiruille.

MIPT:n tutkijaryhmän kehittämä menetelmän perustuu metalli-eriste-puolijohde (MIS) -rakenteeseen ja tulokset osoittavat mahdollisuutta korvata etenemishäviöitä ja siten mahdollisuutta siirtää signaalia siruilla esiintyvien matkojen verran ilman häviöitä.

Reaaliaikainen holografianäyttö

University of Cambridgen tutkijat ovat suunnitelleet uudenlaisen pikselielementin ja osoittaneet siinä muunneltavan ominaisuuden, mikä voisi tehdä kolmiulotteisen reaaliaikaisen holografisen näytön mahdolliseksi.

Tällä hetkellä holografisten näyttöjen kehitystä rajoittaa, että valon kaikkia ominaisuuksia ei hallita yksittäisien pikseleiden tasolla. Hologrammin dynaaminen esitys vaatii valtavien informaatiomäärien modulointia itse näyttölaiteessa. Tähän päästäisiin plasmonisten antennien avulla.

Kuitenkin plasmonisia optisia antenneja hyödyntävät laiteet ovat passiivisia eli niiden optisia ominaisuuksia ei voi muuttaa valmistuksen jälkeen. Nyt tutkijat pystyivät nestekiteiden integroinnin ja tyypillisen pikseliarkkitehtuurin muodossa aktiivisesti kytkemään sen mikä hologrammi viritetään ja mikä kuva-anto valitaan.

Nanomittakaavan langaton viestintäjärjestelmä

Tutkijaryhmä Boston Collegessa on kehittänyt ensimmäisen nanomittakaavan langattoman viestintäjärjestelmän, joka toimii näkyvillä aallonpituuksilla käyttäen antenneja, jotka lähettävät ja vastaanottavat pintaplasmoneja.

Tällaisia on-chip järjestelmiä voitaisiin käyttää nopeaan viestintään, korkean hyötysuhteen plasmonisiin aaltojohteisiin ja in-plane piirikytkentään - prosessi, jota käytetään nykyään nestekidenäytöissä.

Laite voisi nopeuttaa tietojen välittämistä peräti 60 prosenttia verrattuna aikaisempaan plasmonisiin aaltojohdetekniikoihin ja jopa 50 prosenttia nopeammin kuin plasmoniset nanolankojen aaltoputket, ryhmä raportoi.

Tutkijatiimi kehitti kolmivaiheisen muuntamisprosessin, joka muuttaa pintaplasmonit fotoneiksi lähetyksessä ja sitten muuntaa sähkömagneettiset hiukkaset takaisin pintaplasmoneiksi, kun vastaanotin poimii ne.

Lokakuu 2017