Hva er Nanofotonikk og hvordan påvirker det fremtiden for teknologi og vitenskap?

Nanofotonikk er et relativt nytt felt som tar for seg optiske fenomener på nanoskala, et nivå som er mindre enn bølgelengden til synlig lys. Dette området har fått økt oppmerksomhet på grunn av dets potensial til å revolusjonere teknologi innen kommunikasjon, energi, og informasjonsteknologi. Hovedideen bak nanofotonikk er å bruke de unike egenskapene til lys i det såkalte "nærfeltet" – et felt som oppstår rett utenfor overflater og strukturer på nanoskala – for å skape løsninger som er umulige å oppnå med tradisjonelle optiske teknikker. Denne tilnærmingen har fått bred anerkjennelse etter at den ble foreslått av M. Ohtsu på begynnelsen av 1990-tallet.

Et sentralt aspekt ved nanofotonikk er behovet for å redusere størrelsen på fotoniske enheter og systemer for å møte de stadig mer strenge kravene til høyhastighetsinformasjonsoverføring og signalbehandling. Dette innebærer en betydelig nedskalering av både materialenes størrelse og elektromagnetiske felt som brukes til å overføre informasjon. Det er ikke lenger tilstrekkelig å lage små fotoniske komponenter; man må også manipulere lyset på en måte som er utenfor det som tidligere ble ansett som mulig, ved hjelp av nye teorier og teknikker som kan kontrollere nærfeltoptikk.

Fotoniske enheter på nanoskala har åpnet dørene til avanserte teknologier, blant annet innenfor nanometeroppløsning av fabrikasjonsprosesser, svært effektive energikonverteringssystemer, og nye metoder for informasjonbehandling. Gjennom tverrfaglige studier innenfor kondensert materie-fysikk, optikk og kvantefeltteori, har forskere utviklet teorier som kan forklare fenomener som tidligere var utenfor rekkevidde. Dette har ført til et økt fokus på nanomaterialer og optisk energioverføring på nanoskala, som er grunnleggende for fremtidens teknologiske fremskritt.

Den siste utviklingen innen nanofotonikk har også hatt store praktiske konsekvenser, spesielt for design og fremstilling av integrerte kretser, som spiller en avgjørende rolle i dagens elektroniske enheter. I fremtiden vil evnen til å produsere slike kretser med høyere integrasjon på mindre områder være avgjørende for å opprettholde hastigheten på informasjonsoverføring og redusere energiforbruket i elektroniske systemer. Teknologier som utvikles fra nanofotonikk forventes derfor å ha stor innvirkning på flere områder, som databehandling, medisinsk diagnostikk, energiutnyttelse, og kommunikasjon.

Fremtidens nanofotoniske enheter vil ikke bare være små i størrelse, men de vil også benytte seg av nye materialer som har egenskaper som gjør dem i stand til å håndtere lys på måter som tidligere var utenfor mulighetene til tradisjonelle fotoniske enheter. Disse materialene, sammen med nye teknikker for produksjon og integrasjon, åpner for utviklingen av systemer som kan drive den neste generasjonen av informasjonsteknologi.

Videre er det viktig å merke seg at nanofotonikk ikke er en isolert disiplin; det krever tverrfaglig samarbeid mellom fysikere, ingeniører og materialforskere. De ulike fenomenene som oppstår på nanoskalaen, fra kvantefenomener til nye optiske effekter, krever en grundig forståelse av både teori og praktiske anvendelser. Et annet aspekt som bør vurderes, er de etiske og miljømessige utfordringene som kan oppstå når man manipulerer materialer på så liten skala, samt hvordan man kan integrere slike teknologier på en bærekraftig måte i det globale samfunnet.

Det er klart at nanofotonikk har potensial til å forandre mange aspekter av våre liv, men fremtiden for dette feltet avhenger ikke bare av vitenskapelige gjennombrudd, men også av hvordan de teknologiske løsningene implementeres i industrien og samfunnet som helhet.

Hvordan oppnå høyytelses Raman-silikonlasere på SOI-wafer med 45° rotasjon: En analyse av fremstillingsteknologi og effektivitet

Effektiviteten til fotoniske kretser avhenger i stor grad av kvaliteten på de underliggende materialene og strukturen som brukes i produksjonen. For Raman-silikonlasere, spesielt de som er bygget på SOI-wafer (Silicon on Insulator), er nøyaktigheten ved fremstilling av fotoniske krystallstrukturer avgjørende for ytelsen. En viktig faktor som påvirker disse strukturene er Q-faktoren (Qexp), som reflekterer hvor effektivt laseren kan lagre energi i en gitt fotonisk struktur. Når radii og posisjonene på luft-hullene i fotoniske krystaller avviker fra de ideelle, vil Qexp verdien naturlig reduseres.

Men til tross for dette, har det blitt vist at høy Q-faktor kan opprettholdes selv når man bruker en SOI-wafer med en 45°-rotasjon. Dette har betydning for effektiviteten til den resulterende Raman-laseren, ettersom feil i den fotoniske strukturen i form av små variasjoner i luft-hullene ikke nødvendigvis fører til en drastisk reduksjon i ytelsen. Den oppnådde Q-faktoren på 137 000 for den roterte SOI-waferen sammenlignet med konvensjonelle SOI-wafer viser at denne teknikken muliggjør høyere presisjon uten ytelsestap.

Det er flere faktorer som spiller inn på laserytelsen. En av de mest relevante er Δf, som representerer forskjellen mellom resonansfrekvenser for pumpen og Stokes-modusene. For den roterte SOI-waferen ble Δf målt til 15.619 THz, med en detuning Δf det. på 0.013 THz, som indikerer en høy grad av stabilitet og nøyaktighet i frekvensresonansen. Ved en pumpestyrke på 1,8 μW ble en maksimal energieffektivitet på 5,6% observert. Det er verdt å merke seg at denne effektiviteten kan økes betraktelig (over 20%) dersom Δf er redusert ytterligere.

En annen viktig observasjon er at laserens effektivitet varierer avhengig av pumpestrømmen. Ved lave pumpestrømmer, under terskelen på 0,53 μW, ble en betydelig økning i Stokes intensiteten registrert. Intensiteten steg raskt mer enn to størrelsesordener da pumpen passerte terskelen. Dette fenomenet, der intensiteten øker eksponentielt etter at den når terskelen, er karakteristisk for Raman-spredning, der energien fra den pumpede lyspulsen blir overført til den stokeslyset.

Videre ble det vist at en del av Raman-laserlyset blir ekstrakt fra Stokes-bølgelederfasetten i tillegg til den vertikale utsendingen. Dette åpner for muligheten til å hente ut flere funksjoner fra samme enhet, noe som kan være avgjørende for integrering av flere optiske funksjoner i kompakte kretser. En effektiv samling og kanaldistribusjon av Stokes-lyset via waveguides vil være et viktig skritt mot realiseringen av tette optiske kretser med flere funksjoner.

Når man ser på effektiviteten til laserne laget på SOI-wafer med 45° rotasjon sammenlignet med de på tradisjonelle SOI-wafer, er ytelsen svært sammenlignbar. Imidlertid har den høyere nøyaktigheten i fremstillingsprosessen på den roterte waferen ført til en økning i den totale lasereffektiviteten, spesielt ved høyere pumpestrømmer, som minimerer effektene av fryse-kollisjoner (FCA), som kan føre til metning av utsignal ved høyere pumpestrømmer.

Fabrikkprosessen for store silisiumfotonicenheter på SOI-wafer med store diametre ved hjelp av CMOS-kompatible teknologier har gjort betydelige fremskritt de siste årene. Bruken av 300 mm SOI-wafer gjør det mulig å lage et stort antall identiske enheter på samme wafer, noe som gjør produksjonen både kostnadseffektiv og skalerbar. Fotomaskering og tørkestegene som benyttes under fremstillingen har blitt forbedret for å minimere variasjoner i strukturen, noe som er kritisk for å oppnå høy Q-faktor og effektiv Raman-spredning. Etter et spesifikt termisk oksideringsbehandlingssteg oppnås en betydelig forbedring i lasereffektivitet, noe som ytterligere styrker potensialet til denne typen silisiumlasere.

Hvordan inhomogen bredde og aggregatstruktur påvirker exciton-spektroskopi i organiske halvledere

I to-dimensjonal elektronisk spektroskopi (2DES) kan forskjellen mellom homogen og inhomogen bredde i spektrene gi innsikt i mikroskopiske egenskaper ved materialer som organiske halvledere. For molekylære aggregater, som de som dannes på glass- eller gullsubstrater, avhenger spektralformene og breddegradene av både de elektroniske interaksjonene mellom monomere og de makroskopiske egenskapene til substratet.

Når man ser på 2DES-kartene for et J-aggregat på glass, er det tydelig at spektrene viser en viss inhomogen bredde. Dette vises gjennom økte linjeformer langs den diagonale aksen i spekteret, noe som indikerer tilstedeværelsen av inhomogen bredde og en viss grad av orden i aggregatene. Når aggregatene derimot er plassert på et gullsubstrat, er de spektrale egenskapene mer homogene, og dette indikerer at interaksjonen med substratet har en betydelig effekt på hvordan excitonene deler seg over de enkelte monomerene.

Denne inhomogene bredden kan karakteriseres ved forskjellen i linjebredde mellom den diagonale og antidiagonale delen av spektrene. For J-aggregater på glass vises en relativt stor forskjell, mens aggregater på gullsubstrat viser mye mindre variasjon, nærmere et homogent mønster. Dette kan forstås som et resultat av økt orden i molekylstrukturen når aggregatene er i kontakt med gull, sammenlignet med de mer tilfeldige og uorganiserte aggregatene på glass.

For å forklare dette fenomenet på en teoretisk basis, kan molekylære aggregater modelleres som en kjede av monomere med svake elektroniske koblinger mellom nabomonomerne. I et slikt system vil excitonene, som er de kvantemekaniske tilstandene som beskriver elektronisk eksitasjon, være delokaliserte over flere monomere. Denne delokaliseringen er nært knyttet til eksitonenes kohærenslengde (Nc), som bestemmes av styrken på de elektroniske koblingene og graden av forstyrrelse i det lokale miljøet til hvert monomer.

I aggregatene på glass vil forstyrrelsen være større, noe som reduserer Nc og øker inhomogeniteten i spektrene. På gullsubstratene vil derimot mer ordnede aggregater ha høyere Nc, og dette fører til en mer homogen bredde i spektrene. Dette forholdet mellom struktur og spektroskopiske egenskaper kan undersøkes nærmere ved hjelp av Frenkel exciton-modellen, som tar hensyn til tilfeldige variasjoner i energinivåene for hvert monomer i kjeden.

En interessant observasjon i eksperimentene med squaraine J-aggregater på gullsubstrat er at to-eksiton overganger (X-XX) resulterer i en blåforskyvning i spektrene. Dette skjer på grunn av nivårepulsjon, hvor energinivåene for de laveste to-eksiton tilstandene ligger høyere enn energien til den laveste én-eksiton tilstanden. Denne optiske ikke-linearitetsfenomenet er en viktig konsekvens av intermolekylære elektroniske koblinger og kan observeres ved hjelp av tidsoppløst spektroskopi.

Når man ser på disse fenomenene i sammenheng, blir det tydelig at materialenes mikroskopiske struktur har en avgjørende betydning for deres spektroskopiske egenskaper. For organiske halvledere som brukes i optoelektronikk og fotovoltaiske applikasjoner, er forståelsen av slike effekter sentral for utviklingen av mer effektive materialer.

Hvordan nanostrukturer og metasurfaces former fremtidens strukturelle farger i materialer

Den nyere utviklingen innen nanoteknologi har ført til en revolusjon innen metoder for fargeproduksjon. Spesielt har nanostrukturer og metasurfaces fått oppmerksomhet på grunn av deres evne til å skape strukturelle farger – farger som ikke stammer fra pigmenter, men fra lysinteraksjoner med bestemte materialstrukturer. Metoder som roll-to-roll litografi og kolloidale nanostrukturer har gjort det mulig å produsere farger med en kvalitet og skala som tidligere var utenfor rekkevidde.

De fleste tradisjonelle fargemetodene baserer seg på absorpsjon og refleksjon av lys gjennom pigmenter eller kjemiske forbindelser. Derimot er strukturelle farger et resultat av det optiske fenomenet som kalles interferens, hvor farger oppstår som følge av lysbølger som samhandler med materialer på mikroskopisk nivå. Dette skjer ofte i nanoskala, der små strukturer kan manipulere lys på en måte som skaper et bredt spekter av farger uten bruk av tradisjonelle fargestoffer. Slike strukturer kan eksempelvis være laget ved hjelp av teknikker som metallets interferens, plasmoniske resonanser eller dielectric metasurfaces.

Det har vært en betydelig fremgang på området, hvor teknologier som roll-to-roll nanoimprint litografi har gjort det mulig å produsere metasurfaces på fleksible plastsubstrater. Denne teknologien tillater produksjon av farger med høy presisjon og rask hastighet, noe som er essensielt for både industrielle applikasjoner og for masseproduksjon av dekorative og funksjonelle materialer. Eksempler på dette er strukturelle farger på tekstiler eller plastkomponenter, som kan få sin farge ved å manipulere den optiske strukturen snarere enn å bruke pigmenter. Det åpner for store muligheter innen områder som mote, emballasje og elektronikk.

Forskning har også vist at ved å kontrollere de optiske resonansene i nanostrukturer, kan man utvikle farger med et langt bredere spektrum enn de tradisjonelle sRGB-fargene som brukes i skjermer og utskrifter. For eksempel har forskere lykkes i å skape farger som overskrider sRGB-gamut ved å etterligne silisiumnanostrukturer i friluft. Disse fargene er skapt ved hjelp av avanserte metoder som Schrödinger’s røde piksler, som gjør det mulig å oppnå farger med en høyere intensitet og renhet.

En annen viktig aspekt av denne teknologien er dens evne til å skape farger som er robuste mot lysvinkel og synsvinkel, en egenskap som er kritisk i applikasjoner der synlighet og estetikk er av betydning, som for eksempel i bilindustrien eller på forbrukerprodukter. Dette oppnås ved å bruke metoder som plasserer materialene i spesifikke geometriske konfigurasjoner som kontrollerer lysrefleksjon uavhengig av vinkler.

Det er viktig å merke seg at selv om vi er i begynnelsen av denne teknologiske revolusjonen, er det fortsatt mange utfordringer som må overvinnes. Dette inkluderer å videreutvikle produksjonsteknologiene slik at de kan skaleres effektivt og økonomisk. Videre forskning er nødvendig for å optimalisere ytelsen til disse materialene, særlig med hensyn til deres stabilitet over tid og under varierende miljøforhold.

Strukturelle farger gjennom metasurfaces og nanostrukturer representerer derfor et spennende område der fysikk, materialvitenskap og teknologi møtes for å muliggjøre nye, banebrytende applikasjoner. Det gir en ny forståelse av hvordan farger kan genereres og manipulert, og har potensialet til å endre hvordan vi tenker på estetikk i materialer, samtidig som det gir løsninger på viktige praktiske utfordringer innen industrien.