Deutsch
Francais
Nederlands
Svenska
Norsk
Dansk
Suomi
Espanol
Italiano
Portugues
Magyar
Polski
Cestina
Русский
De techniek van Scattering Scanning Near-Field Optical Microscopy (s-SNOM) heeft een belangrijke rol gespeeld in de verbetering van de ruimtelijke resolutie in de THz (terahertz) nanoscopie, met name in de context van toepassingen in de halfgeleiderindustrie en andere nanomateriaalstudies. In de recente ontwikkelingen van deze technologie is het mogelijk gebleken om resoluties van zelfs 35 nm te behalen bij een frequentie van 2.7 THz, wat een aanzienlijke verbetering is in vergelijking met traditionele benaderingen, waarbij de resolutie doorgaans veel hoger ligt. Dit werd mogelijk door het gebruik van scherpere metalen tips in plaats van de gebruikelijke dielectrische golfgeleiders zoals geslepen optische vezels.
De belangrijkste vooruitgang werd geboekt door de verandering van de sonde-tips van dielectrische naar metalen tips. Terwijl dielectrische sondes in staat zijn om evanescentie golven te detecteren en over te dragen, zijn ze onderhevig aan de zogenaamde "cutoff" effecten in vezels en openingen. Dit fenomeen, waarbij de golven buiten het bereik van de detector vallen, werd opgelost door het gebruik van metalen tips. Deze tips fungeren als converters van evanescentie-fotonen naar voortplantings-fotonen, wat resulteert in een veel efficiëntere lichtverstrooiing. Bij gebruik van een metalen tip kan bijvoorbeeld een goud-Rayleigh-deeltje in het evanescentieveld tot 33 keer helderder schitteren dan een glas (dielectrisch) Rayleigh-deeltje.
Een ander cruciaal aspect van deze technologie is de optimalisatie van de transmissie van het verstrooide licht naar de detector. Dit probleem werd opgelost door metalen-coating van dielectrische tips in combinatie met signaalmodulatietechnieken. Het vibreren van de metalen gecoate tip in het evanescentieveld, gecombineerd met lock-in versterking van het gemoduleerde verstrooide licht, maakt het mogelijk om ruis van vreemd licht te elimineren. Dit proces heeft de basis gelegd voor de ontwikkeling van s-SNOM, een techniek die nu in staat is om de ruimtelijke resolutie van THz-nanoscopie aanzienlijk te verbeteren.
In 2003 werd een resolutie van 150 nm bereikt voor THz-beeldvorming bij een frequentie van 2 THz, en latere onderzoeken gaven zelfs een resolutie van 35 nm aan bij 2.7 THz. In tegenstelling tot conventionele beeldvormingstechnieken waarbij de golflengte van het licht de ruimtelijke resolutie limiteert, is dit bij s-SNOM niet het geval. De resolutie wordt voornamelijk bepaald door de scherpte van de tip van de sonde, en niet door de golflengte van de gebruikte straling.
Naast het verbeteren van de resolutie biedt s-SNOM ook de mogelijkheid voor subsurface imaging. Dit houdt in dat het mogelijk is om structuren onder het oppervlak van een monster in beeld te brengen, wat essentieel kan zijn voor het bestuderen van complexe materialen zoals halfgeleiders en gelaagde structuren. De diepte van de interactie hangt af van verschillende factoren, zoals de trilling van de sonde, de kromming van de tip en de gedemoduleerde harmonischen. In combinatie met de lichtdoorlaatbaarheid van THz-straling in diëlektrische en halfgeleidermaterialen kan THz-subsurface imaging mogelijk zelfs tomografie uitvoeren. Hoewel deze techniek nog steeds in de beginfase verkeert, heeft het al veelbelovende resultaten opgeleverd.
De absorptie en dispersie van THz-frequenties variëren sterk tussen materialen. Wanneer THz-straling door een materiaal zoals een halfgeleider of diëlektricum beweegt, ontstaat er een tijdsvertraging. Deze vertraging kan gemeten worden met Time-Domain Spectroscopy (TDS), die wordt gebruikt voor kwaliteitsanalyse en inspectie van verpakkingen in verschillende industriële sectoren. De vraag naar kosteneffectieve productie en snelle sensoren is groot, en daarom worden er nieuwe vertragingstechnieken ontwikkeld, zoals asynchrone optische sampling en elektronische controle van optische sampling.
In de praktijk wordt THz-straling vaak gegenereerd met behulp van fotoconductieve antennes (PCA's), die een van de meest gebruikelijke bronnen zijn vanwege hun hoge vermogen om THz-straling te genereren. Het verbeteren van de stralingsintensiteit en de detectiegevoeligheid van deze antennes is een belangrijk aandachtspunt in de ontwikkeling van THz-imaging en spectroscopie. De efficiëntie van de straling en de detectie wordt sterk beïnvloed door de grootte van de opening tussen de elektroden van de antenne. Door nanogaten te maken die kleiner zijn dan de golflengte van de straling, kan de veldversterking in het gat aanzienlijk worden verhoogd, wat leidt tot een grotere stralingsgeneratie en gevoeligheid.
Voor de toekomst van THz-nanoscopie is het belangrijk om te begrijpen dat de ontwikkeling van nanogaten en metasurfaces niet alleen de efficiëntie van straling zal verbeteren, maar ook de mogelijkheid om de resolutie verder te verbeteren. Dit opent de deur naar nauwkeuriger en efficiënter gebruik van THz-technologie in verschillende onderzoeks- en industriële toepassingen.
Hoe Metasurfaces de Interactie van Licht en Materie in Terahertz Nanoscopie Verbeteren
De interactie tussen de probe en het monster in terahertz (THz) nanoskopie is cruciaal voor het verkrijgen van gedetailleerde informatie over de lokale eigenschappen van materialen. De dielektrische eigenschappen van het monster bepalen de beelddipolen, waardoor de punt van de probe de lokale kenmerken van het monster kan onderzoeken. De metalen probe fungeert als een nanoantenne, waarvan de prestaties afhankelijk zijn van verschillende factoren, zoals het materiaal van de punt, de invallende golflengte, de geometrie van de punt ten opzichte van het monster en de afmetingen van de probe. Daarom kunnen de prestaties van de antenne worden afgesteld om spectraal selectieve informatie te verbeteren en informatie van strooilicht uit te filteren. Het ontwerp van de probe is essentieel om de interactie tussen het monster en de punt optimaal te benutten voor s-SNOM (scattering-type scanning near-field optical microscopy). De meest voorkomende ontwerpparameters zijn het materiaal van de coating van de punt, de afschuining van de punt en de lengte van de puntsteel. Een optimale lengte van de puntsteel voor een meting met een enkele frequentie in het THz-bereik is een veelvoud van de halfgolflengte.
Bij het gebruik van resonantieverbetering is de lengte van de puntsteel niet recht evenredig met de halfgolflengte. De optimale resonante puntlengte is zelfs korter dan een veelvoud van de halfgolflengte. In principe wordt de tip-monsterinteractie sterker naarmate de punt scherper is, maar de haalbare kromming van de punt wordt beperkt door de fabricagetechnieken. Hoewel nabewerking, zoals gefocuste ionenbundels, de scherpte kan verbeteren, biedt dit proces niet altijd nauwkeurige controle over de geometrie en afmetingen op een reproduceerbare manier in een laboratoriumomgeving. Een onverwacht resultaat van 100 nm-resolutie met een stompe punt met een straal van 750 nm suggereert een alternatieve manier om de ruimtelijke resolutie van s-SNOM te verbeteren. De hoge ruimtelijke resolutie wordt verklaard door het "virtuele tipverfijningseffect", dat effectief het bijdragen van verre signalen aan de s-SNOM-signalen onderdrukt via de demodulatie van hoge harmonische frequenties wanneer de relatieve amplitude (puntamplitude gedeeld door de puntstraal) extreem klein is.
Metasurfaces, ook wel metamaterialen genoemd, kunnen een signaalversterkende rol spelen door middel van veldlokalisatie en amplitudeversterking via resonantiegedrag. De optische resonantie kan sterke veldfocussing induceren op specifieke locaties van de ontworpen metasurface. Meestal wordt een THz-metasurface samengesteld uit een array van dipoolantenne-eenheden die zijn ontworpen om te resoneren in het THz-frequentiebereik. Dit resonantie-eenheid kan worden gevormd in negatieve (sleuftype) of positieve (eilandtype) patronen en kan elektrische veldversterking of magnetische veldversterking induceren, afhankelijk van de relatie tussen de patroongeometrie en de polarisatie van het invallende veld. De voorwaarde voor het veroorzaken van sterke versterking terwijl de resonantie-eigenschappen in het THz-bereik behouden blijven, omvat het verkleinen van de breedte van de structuur, bijvoorbeeld de opening tussen twee metalen platen, om de ladingdragersdichtheid aan het uiteinde van elke plaat te verhogen. Deze smallere opening in vergelijking met de THz-golflengte kan de veldversterking induceren in termen van de inverse van de breedte van de opening.
Metasurfaces bieden een veelbelovende manier om halfgeleiders te integreren en actief het resonantiegedrag in het THz-bereik te versterken. Dit is van belang voor het bestuderen van de dynamica van ladingdragers in halfgeleiders, wat een belangrijke scope is in zowel de fotofysische als fotochemische gebieden van de halfgeleiderwetenschap. Het gebruik van THz-nanoskopie, dat ultrafast spectroscopie in combinatie met een optische pomp en THz-probe gebruikt, kan een hoog-resolutie microscoopconcept bieden, zowel temporeel als ruimtelijk. Bij dit proces exciteert een zichtbare lichtpomp de ladingdragers van het halfgeleider-substraat naar een geëxciteerde energietoestand. De daadwerkelijke effectieve grootte van de THz-probe die hun gedrag observeert op een specifiek moment, kan worden bepaald door de grootte van de nanogaten in de metasurface. Naarmate de opening van de metasurface smaller wordt, fungeert het als een lens die het THz-veld strakker focust, waardoor dieper kan worden gemeten nabij het oppervlak van het substraat.
Dit vermindert het volume van het te observeren veld tot een extreem kleine grootte, waardoor de bulk van het materiaal effectief wordt omgezet in een nano-structuur. Het belangrijkste hier is dat het mogelijk is om alleen de extreme oppervlaktespecificaties waar te nemen zonder de bulk van het materiaal te vervormen. Dit heeft een ander effect op de tijdsvertraging tussen de pomp en de probe, en als gevolg daarvan wordt de recombinatietijd van de ladingdragers sneller wanneer een smallere gap metasurface wordt gebruikt. Het THz-signaal verandert dus tijdens de foto-excitatie van halfgeleiders en kan worden versterkt door het focusserende effect van de THz-probe, wat de efficiënte kwantitatieve en kwalitatieve analyse van niet-lineaire signalen op het materiaaloppervlak vergemakkelijkt.
Met de toepassing van metasurfaces in THz-nanoskopie kunnen belangrijke inzichten worden verkregen in de dynamica van ladingdragers aan het oppervlak van halfgeleider-nanomaterialen. Deze inzichten zijn essentieel voor toepassingen zoals ladingdragertransport en defectengineering in halfgeleidertechnologie. Een doorbraak in dit gebied is de mogelijkheid om de resolutie van THz-nanoskopie aan te passen, ongeacht de structuur van het bulk-halfgeleidermateriaal. Het verkleinen van de nanogaten in de metasurface maakt het mogelijk om ultrafast levensduurmetingen uit te voeren zonder de dynamica van de ladingdragers in het bulkmateriaal te veranderen.
Hoe kan de efficiëntie van Raman siliconen nanocavity lasers worden verbeterd door het gebruik van heterointerface spiegels?
Raman siliconen nanocavity lasers op één enkele chip, met minimale verwerkingsstappen, bieden sterke mogelijkheden voor de integratie van Raman siliconen nanocavity lasers in opto-elektronische circuits. Deze lasers kunnen licht met een krachtige intensiteit naar de vrije ruimte uitstralen vanuit het nanocaviteitoppervlak. Echter, de emissie van de randen van de golfgeleiders naast de caviteit is relatief zwak. Dit verschil in emissie-intensiteit wordt duidelijk geïllustreerd in figuur 4.19, waarbij de kracht van de oppervlakte-emissie aanzienlijk hoger is dan de emissie van de golfgeleiderrand. Dit kan een beperking vormen voor toepassingen waarbij de efficiëntie van de randemissie belangrijk is, bijvoorbeeld in geïntegreerde opto-elektronische circuits.
Voor toepassingen waarin de randemissie een rol speelt, zoals bij de integratie in fotonische circuits en sensorapplicaties, kan het verbeteren van de emissie aan de rand van de golfgeleiders voordelig zijn. Een aanpak om dit te realiseren is het gebruik van heterointerface spiegels (HMs) in de ontwerpstructuur van de Raman siliconen nanocavity laser. Het gebruik van deze spiegels maakt het mogelijk om de lichtuitstraling aan de rand van de golfgeleider te versterken, wat de algehele efficiëntie van de laser verbetert, vooral voor toepassingen in geïntegreerde opto-elektronische systemen.
De kernontwerpen van deze laserstructuren blijven in wezen hetzelfde als in eerdere secties, met nanocaviteiten die zijn geplaatst tussen twee golfgeleiders, zoals weergegeven in figuren 4.27a–c. Wat echter verandert, is de toevoeging van heterointerface spiegels (HMs) die de lichtstralen die in de golfgeleider worden gepompt, reflecteren. Dit leidt tot een aanzienlijke verhoging van de emissie van licht aan de randen van de golfgeleider. In figuur 4.27c worden de posities van de HMs aangeduid voor zowel de pomp- als de Stokes-lichtgolven. De plaatsing van de nanocaviteiten wordt ook weergegeven, met een tussenruimte van ongeveer 20 μm tussen de verschillende caviteiten. Dit ontwerp maakt een efficiënte meting van de individuele lasersamples mogelijk.
De resonantie- en transmissiespectra voor de pomp- en Stokes-modus worden sterk beïnvloed door de aanwezigheid van de HMs. Wanneer het vermogen van de pomplicht (λp) wordt gereflecteerd bij de heterointerfaces, leidt dit tot een verbetering van de randemissie. De optische eigenschappen van deze structuren stellen de Raman-laser in staat om oscillaties te genereren bij een verhoogde efficiëntie. Uit de experimentele resultaten blijkt dat de verhouding van de randemissie (Pedge) tot de oppervlakte-emissie (Psurface) aanzienlijk wordt verhoogd. Deze verhoging van Pedge ten opzichte van Psurface is vooral van belang wanneer de laser wordt gebruikt in situaties waarin de randemissie essentieel is, zoals in geïntegreerde sensoren of fotonische circuits.
De opgebrachte studie heeft aangetoond dat bij het bereiken van een drempelvermogen (I_th = 1200 nW), zowel Pedge als Psurface steil toenemen. Bij hogere pompvermogens stabiliseert de output zich echter door het optreden van Free Carrier Absorption (FCA), wat de verdere stijging van de outputkracht remt. De verhouding Pedge/Psurface kan worden verhoogd tot 0.83, wat een significante verbetering is in vergelijking met traditionele ontwerpen zonder HMs. Dit versterkt de waarde van de edge-emissies voor toepassingen waarbij gerichte, krachtige lichtstralen nodig zijn bij de rand van de golfgeleider.
Bijgevolg toont dit ontwerp met heterointerface spiegels de potentie voor het creëren van Raman siliconen lasers die niet alleen efficiënter zijn, maar ook beter kunnen worden geïntegreerd in complexe fotonische systemen. Deze verbeterde prestaties zijn van cruciaal belang voor de vooruitgang in toepassingen die afhankelijk zijn van zowel de oppervlakte- als randemissie, zoals opto-elektronische circuits en sensortechnologie.
Bij het gebruik van dit type lasers in fotonische circuits is het essentieel om te begrijpen dat de optische karakteristieken sterk afhankelijk zijn van de geometrie en de materiaaleigenschappen van de nanocaviteiten. Daarom is het belangrijk om de juiste balans te vinden tussen de caviteitgrootte, de afstand tussen de golflengtes van de resonantie-modus en de efficiëntie van de heterostructuren. Dit ontwerp kan verder worden geoptimaliseerd door de reflectieve eigenschappen van de HMs en de interactie van het licht met de nanocaviteiten zorgvuldig af te stemmen.