Метод генерації поверхневих плазмон-поляритонних хвиль за допомогою інжекційного струму

Реферат: Метод генерації когерентних поверхневих плазмон-поляритонних хвиль належить до методів оптичної техніки, а саме методів генерації поверхневих електромагнітних хвиль оптичного діапазону частот на границі метал-діелектрик. UA 68008 U (54) МЕТОД ГЕНЕРАЦІЇ ПОВЕРХНЕВИХ ПЛАЗМОН-ПОЛЯРИТОННИХ ХВИЛЬ ЗА ДОПОМОГОЮ ІНЖЕКЦІЙНОГО СТРУМУ UA 68008 U UA 68008 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до методів оптичної техніки, а саме методів генерації поверхневих електромагнітних хвиль оптичного діапазону частот на границі метал-діелектрик. Поверхневі плазмон-поляритонні хвилі оптичного діапазону частот мають переваги над просторовою оптичною хвилею завдяки можливості досягти значно меншої довжини хвилі при тій самій частоті електромагнітної хвилі, що відкриває нові можливості в багатьох галузях науки та техніки. Саме тому створення джерел таких хвиль є важливою та актуальною проблемою. Квантовий генератор когерентних поверхневих плазмон-поляритонних хвиль, скорочено "спазер" (англ. SPASER-surface plasmon amplification by stimulated emission of radiation) є аналогом лазера, який генерує поверхневі плазмон-поляритонні хвилі, надалі SPP (англ. SPPSurface Plasmon-Polariton) [1]. На сьогоднішній день запропоновано декілька конструкцій спазерів, серед яких особливу увагу привертають спазери, що генерують плазмон-поляритонні хвилі на поверхні металу. Їх спільною рисою є використання оптичних методів накачки (передачі енергії активному середовищу). Головними недоліками відомого технічного рішення [2] (аналога) є те, що такий підвід енергії є неефективним, зважаючи на розмір конструкції (порядку нм в поперечному напрямку) та дифракційне обмеження фокусуючих систем. Площа світлової плями сфокусованого лазерного випромінювання значно перевищує площу активної зони таких спазерів. Окрім того, оптична система накачки є громіздкою, її розміри значно перевищують розміри спазера і вона збільшує складність та вартість побудови та використання таких спазерів. Частково недоліки аналога виправлені в напівпровідниковому інжекційному нанолазері [3] прототипі. В ньому накачка здійснюється за рахунок струму, що пропускається через p-nперехід, а хвилеводом є структура: метал-напівпровідник-метал. Проте, як генератор поверхневих SPP-хвиль, прототип є неефективним через те, що більша частина енергії йде на випромінювання просторових оптичних електромагнітних хвиль. Для отримання джерела SPP-хвиль з більш ефективною накачкою, компактними розмірами та простішою конструкцією, пропонується метод, який полягає у наступному: 1. Забезпечується контакт Шотткі між металом, на поверхні якого необхідно збуджувати плазмон-поляритонні хвилі, та гетероструктурою, в якій найближчий до металу шар складається із прямозонного напівпровідника (головного напівпровідника). 2. В контакті метал-напівпровідник, між металом та головним напівпровідником, може розміщуватись тонкий шар діелектрика чи напівпровідника. 3. Для забезпечення зворотного зв'язку створюється резонатор, в ролі якого можуть виступати як межі напівпровідника, діелектрика, гетероструктури, так і металева деталь, на поверхні якої генеруються поверхневі хвилі. 4. Напівпровідник, металева поверхня та/чи шар діелектрика можуть мати бреггівську структуру для селекції мод. 5. Через контакт метал-напівпровідник та гетероструктуру пропускається електричний струм, при якому електрони рухаються в напрямку із напівпровідника в метал по зоні провідності напівпровідника і в шарі головного напівпровідника рекомбінують із дірками, що рухаються із металу. Енергія накачки в цьому методі підводиться провідниками, які значно простіші у виготовленні та використанні, ніж оптичні системи. Струм накачки спричиняє різницю населеності рівнів, а процес рекомбінації пар електрон-дірка зменшує її. Під час рекомбінації народжується фотон або фонон і енергія пари електрон-дірка переходить до нього. Підсилення SPP-хвилі відбувається за рахунок вимушеного випромінювання фотонів при рекомбінації пар електрон-дірка в області розповсюдження хвилі. Плазмон-поляритон є квантом зв'язаного коливання електромагнітної хвилі, тобто фотона, та коливання щільності електричного заряду, тобто плазмону. Завдяки вимушеному випромінюванню, народжуються нові фотони, ідентичні зв'язаним, які збуджують зв'язані плазмонні коливання, що проявляється як підсилення плазмон-поляритонної хвилі. При цьому спонтанне випромінювання та генерація фононів не несуть користі, а спричиняють втрати енергії, проте спонтанне випромінювання бере участь у початку процесу генерації. Для того, щоб імовірність вимушеної рекомбінації значно перевищувала імовірність спонтанної рекомбінації, необхідно, щоб рекомбінація відбувалася лише в області великої інтенсивності SPP-хвилі. Для забезпечення цієї вимоги використовується гетероструктура, яка обмежує глибину проникнення дірок із металу в напівпровідник глибиною проникнення SPPхвилі в тому ж напрямку (найвигідніше, щоб глибина проникнення дірок була рівною або меншою глибини проникнення SPP-хвилі) (фіг. 1). Гетероструктура може містити як один, так і багато гетеропереходів та виконувати додатково функцію фотонного кристала. 1 UA 68008 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Рекомбінація в металі та на границі розділу є невигідною, через важкість забезпечення рівності квазіімпульсу електрона на верхньому рівні зони провідності металу та нижнього рівня зони провідності напівпровідника, а також через енергетичні рівні в металі, що знаходяться вище рівня Фермі та нижче дна зони провідності напівпровідника та через які можлива ступінчаста рекомбінація із народженням теплових фононів. Така рекомбінація спричиняє втрати та появу теплових фононів, тобто розігріву структури. Для запобігання або зменшення вірогідності рекомбінації в металі використовуються потенційні бар'єри для дірок та електронів, ціль яких відмежувати область рекомбінації від металу (фіг. 2). Через те, що верхній рівень валентної зони напівпровідників та діелектриків лежить нижче верхнього заповненого рівня зони провідності металу (при умові контакту), в умовах термодинамічної рівноваги, з прикладанням напруги зміщення, діркам для переходу в напівпровідник необхідно подолати потенційний бар'єр (фіг. 2) (для електронів це потенційна яма). Ширина цього бар'єра залежить від прикладеної напруги. На ділянці цього бар'єра рекомбінація відбуватись не може, через відсутність дірок. Таким чином, область рекомбінації відмежовується від металу на ширину бар'єра для дірок. Проте, електрони, що не встигли рекомбінувати в напівпровіднику, можуть продовжити рух до металу і рекомбінувати там. Для перешкоджання руху електронів в метал по зоні провідності напівпровідника необхідно створити потенційний бар'єр, для чого пропонується декілька рішень. Першим варіантом створення необхідного бар'єра є використання тонкого шару діелектрика між металом та напівпровідником. Товщина цього шару має бути менше за глибину проникнення SPP-хвилі в напівпровідник. За рахунок такого шару з'являється потенційний бар'єр для електронів, що не рекомбінували в напівпровіднику та прямують до металу (фіг. 3). Проте в цьому випадку також з'являється потенційний бар'єр для дірок, що прямують із металу, який вони можуть подолати за рахунок тунелювання. Для зменшення ширини бар'єра необхідно, щоб при прикладеній напрузі верхній рівень валентної зони першого (головного) напівпровідника за рахунок зміщення виявився рівним верхньому рівню зони провідності металу. Цього можна досягти збільшенням прикладеного електричного поля, а тому і струму. Зменшити необхідну робочу напругу (струм) можна, використавши як напівпровідник, в якому відбувається рекомбінація, напівпровідник із рівнем Фермі, близьким до валентної зони, тобто напівпровідник р-типу чи вироджений напівпровідник р-типу (сильнолегований) (фіг. 4). Другим варіантом є використання тонкого шару виродженого напівпровідника р-типу із більш широкою забороненою зоною (фіг. 5). В цьому випадку біля поверхні металу можна створити потенційний бар'єр для електронів, в той час як бар'єр для дірок можна зменшити чи позбутися взагалі. Найвигідніше використовувати прямозонний напівпровідник для шару, в якому буде відбуватися рекомбінація, і в разі його легування домішками необхідно забезпечити збереження прямозонності. Для підвищення ефективності генерації напівпровідник та/чи діелектрик, та/чи метал можуть мати 1D-, 2D- чи 3D-бреггівську структуру. Окрім того, можливо використовувати декілька структуризацій діелектрика, напівпровідника чи/та металу для вирішення декількох задач, наприклад: формування хвилеводу, резонатора та фільтра для SPP-хвиль. Також замість напівпровідника можуть використовуватись квантові точки. Перелік ілюстративних матеріалів: фіг. 1 - ілюстрація енергетичних рівнів структури метал-напівпровідник-напівпровідник та руху носіїв при прикладеній напрузі; фіг. 2 - ілюстрація механізму втрат при рекомбінації в металі; фіг. 3 - ілюстрація енергетичних рівнів структури (метал)-(діелектрик)-(напівпровідник)(напівпровідник) при прикладеній напрузі; фіг. 4 - ілюстрація енергетичних рівнів структури (метал)-(діелектрик)-(напівпровідник)(напівпровідник) при прикладеній напрузі, коли верхній рівень валентної зони першого напівпровідника за рахунок зміщення виявився рівним верхньому рівню зони провідності металу і ширина бар'єра для дірок зменшилася; фіг. 5 - ілюстрація енергетичних рівнів структури (метал)-(напівпровідник)-(напівпровідник)(напівпровідник) при прикладеній напрузі, в цьому випадку перші два напівпровідники мають верхній рівень валентної зони дуже близький чи рівний верхньому рівню зони провідності металу, і для дірок, що прямують із металу до напівпровідника, потенційного бар'єра майже немає. 2 UA 68008 U 5 10 15 Основна відмінність запропонованого методу полягає у наступному: - використовується напівпровідникова чи діелектрично-напівпровідникова гетероструктура для обмеження активної зони в області великої інтенсивності поверхневої хвилі, тобто поблизу поверхні металу; - використовується перехід Шотткі (метал-напівпровідник), можливо із тонким шаром діелектрика чи легованого напівпровідника для запобігання рекомбінації в металі; - генеруються безпосередньо поверхневі плазмон-поляритонні хвилі на поверхні металу при підводі енергії за допомогою електричного струму. Джерела інформації: 1. Пат. 7569188 В2 США. Int. C1. G01N 21/00. Surface plasmon amplification by stimulated emission of radiation (SPASER). Mark I. Stockman, David J. Bergman. United States Patent, US 7569188 B2, 4 Aug. 2009. 2. R.F. Oulton, V.J. Sorger, T. Zentgraf, R.M. Ma, С. Gladden, L. Dai, G. Bartal, X. Zhang. Plasmon lasers at deep subwavelength scale. // Nature, Vol. 461 (7264), 2009, p. 629-632. 3. С. Manolatou, F. Rana. Subwavelength Nanopatch Cavities for Semiconductor Plasmon Lasers // IEEE Journal of Quantum Electronics. Vol. 44, No. 5, May 2008, p. 435-447. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 20 25 30 35 40 1. Метод генерації когерентних поверхневих плазмон-поляритонних хвиль, який полягає в тому, що поверхнева хвиля підсилюється за рахунок вимушеної рекомбінації пар електрон-дірка в напівпровіднику біля металевої поверхні, а генерація відбувається завдяки зворотному зв'язку через резонатор, який відрізняється тим, що: - поверхневу плазмон-поляритонну хвилю генерують на поверхні металу, тобто вздовж границі метал-напівпровідник або метал-діелектрик, або метал-діелектрик-напівпровідник; - підсилення поверхневої хвилі створюють за рахунок вимушеного випромінювання в процесі рекомбінації пар електрон-дірка, що відбувається в області великої інтенсивності поверхневої хвилі; - область, в якій відбувається рекомбінація, обмежують в зоні великої інтенсивності поверхневої хвилі за рахунок напівпровідникової гетероструктури, головна функція якої - перешкоджати руху дірок, що прямують із металу в напрямку катода по валентній зоні напівпровідника; - область, в якій відбувається рекомбінація, відмежовують від металу тонким шаром діелектрика чи напівпровідника, головна функція якого - перешкоджати руху електронів, що рухаються в напрямку анода по зоні провідності; - інверсію населеності створюють за рахунок електричного струму, що протікає крізь границю метал-напівпровідник або метал-діелектрик-напівпровідник; - зворотний зв'язок забезпечують резонатором, який утворюється межами напівпровідника та/або діелектрика, та/або формою та розмірами металевої поверхні. 2. Метод за п. 1, який відрізняється тим, що границя металу або/та діелектрик, або/та напівпровідник мають бреггівську структуру, яка виконує роль фільтра для селекції мод електромагнітних хвиль. 3 UA 68008 U 4 UA 68008 U 5 UA 68008 U Комп’ютерна верстка М. Ломалова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6