Proben i terahertz nanoskopi (s-SNOM) används för att analysera de elektriska dipoler som bestäms av provets dielektriska egenskaper, vilket gör att spetsen på proben kan undersöka provets egenskaper i en lokal region. Metallproben fungerar som en nanoantenn, där dess prestanda beror på olika faktorer som materialet på spetsen, den incidenta våglängden, spetsens geometri i relation till provet och dimensionerna på proben. Därför kan antennens prestanda justeras för att förbättra spektralt selektiv information och filtrera bort information som härstammar från ströljus. De närfältsinteraktionsmekanismer som används för att konstruera s-SNOM-prober är avgörande. De mest vanligt förekommande designparametrarna är materialet på spetsens beläggning, spetsens avsmalnande vinkel och längden på spetsens skaft.

En optimal längd på spetsens skaft för en mätning med en enda frekvens i terahertzområdet är ett multipel av halvvåglängden. Vid användning av resonansförstärkning är spetsens skaftlängd inte linjärt proportionell mot halvvåglängden. Den optimala resonanta spetslängden är faktiskt kortare än ett multipel av halvvåglängden. I princip förstärks interaktionen mellan spetsen och provet när spetsen blir skarpare. Emellertid är den uppnåeliga krökningen av spetsen begränsad av tillverkningstekniker. Trots att efterbearbetning, såsom fokuserad jonstråle (FIB), förbättrar spetsens skärpa, saknar processen exakt kontroll över geometri och dimensioner på ett reproducerbart sätt i ett laboratorium. En motstridig prestation där en upplösning på 100 nm uppnås med en trubbig spets med en radie på 750 nm antyder ett alternativt sätt att förbättra den spatiala upplösningen i s-SNOM. Den höga upplösningen förklaras av en "virtuell spetsskärpningseffekt", som effektivt dämpar bidraget från signaler längre bort genom demoduleringen av höga harmoniska frekvenser när den relativa amplituden (tipamplitud dividerad med spetsradien) är extremt liten.

Metasurfaces, även kända som metamaterial, kan fungera som en signalförstärkande plattform genom fältlokalisering och amplitudförstärkning via resonansbeteende. Optisk resonansbeteende kan inducera stark fältfokusering vid specifika platser på den designade metasurfacen. Normalt kan terahertz metasurfaces bestå av ett array av dipolantenn enheter som är avsedda att resonera inom terahertzfrekvensområdet (långa våglängder på tiotals till hundratals mikrometer). Denna resonansenhet formas antingen i negativa (spårtyp) eller positiva (ö-totyp) mönster och kan inducera antingen elektrisk fältförstärkning eller magnetisk fältförstärkning beroende på relationen mellan mönstergeometrin och polarisationen av det incidenta fältet. Förhållanden som orsakar stark förstärkning, samtidigt som resonanskarakteristika bibehålls i terahertzområdet, innefattar att minska bredden på strukturen (t.ex. gapet mellan två metallplattor för att förbättra laddbärartätheten vid slutet av varje platta).

Den smalare gapstorleken i relation till terahertzvåglängden kan inducera fältförstärkning i termer av den omvända av gapets bredd, och den observerbara transmissionen eller reflektionen kan justeras av de dielektriska egenskaperna hos de material som omger resonansstrukturerna, till exempel substratets egenskaper. Att integrera halvledare med metasurfaces för att aktivt förstärka resonansbeteende i terahertzområdet är ett lovande tillvägagångssätt.

När det gäller att observera laddbärardynamik genom fotoexitering av halvledarsubstrat är detta ett mycket viktigt ämnesområde inom halvledarforskning, både från ett fotofysiskt och fotokemiskt perspektiv. Ultrafast spektroskopi baserat på ett optiskt-pumpat och terahertz-probat schema kan användas för detta ändamål. Ett högupplöst mikroskopikoncept, både tidsmässigt och spatialt, kan implementeras när en metasurface adderas. Denna teknik, som kallas terahertz nanoskopi, fungerar på följande sätt. Först exciterar en synlig ljuspump med hög fotonenergi laddbärarna i halvledarsubstratet till ett exciterat energitillstånd. Den faktiska effektiva storleken på terahertzproben, som observerar deras beteende vid en specifik tidpunkt, kan bestämmas av gapstorleken i resonatorerna på metasurfacen. När gapet i metasurfacen minskas, fungerar det som ett linssystem som fokuserar terahertzfältet mer effektivt, vilket gör det möjligt att bättre övervaka djupet vid substratets yta. Detta minskar fältets volym till ett extremt litet område och får den bulkstrukturerade materialet att uppträda som en nanoskalig struktur. Detta gör det möjligt att observera endast de extrema ytegenskaperna utan att förändra det bulkmaterialet. Detta medför en annan effekt på tidsfördröjningen mellan pumpen och proben, vilket resulterar i att rekombinationstiden för laddbärare blir snabbare när en metasurface med smalare gap används. Sammanfattningsvis kan terahertz-signalen förändras under fotoexitering av halvledare genom fokuseringseffekten från terahertzproben, vilket kraftigt underlättar den effektiva kvantitativa och kvalitativa analysen av icke-linjära signaler på materialets yta.

För halvledarmaterial, särskilt de där materialets dielektriska egenskaper bryts vid gränssnittet, spelar direkt observation och förståelse av ytdynamik en mycket viktig roll. Dessa ytdynamik är avgörande för applikationer som laddbärartransport och defekt ingenjörskonst i halvledare. Med hjälp av metasurfaces är det nu möjligt att observera dessa ytdynamik utan att deformera halvledarmaterialets volymstruktur. Vid användning av metasurfaces för att minska upplösningen i terahertz nanoskopi kan karriärens livslängd i ytan på material som InP och GaAs dramatiskt minskas till terahertz tidsupplösningens gräns (~1 ps). När nanopatternet tas bort återgår livslängden för laddbärare till nanosekundskalan, vilket indikerar materialets ursprungliga bulktilstånd. Denna teknik gör det möjligt att justera upplösningen oberoende av bulkens struktur, vilket skapar nya möjligheter för att mäta ultrafasta livslängder utan att modifiera de ursprungliga dynamiska egenskaperna hos bulkmaterialet.

Hur fungerar Raman-siliciumlaser och vad innebär det för framtidens optoelektroniska chips?

I halvledarmaterial med indirekt bandgap, såsom kisel, har ljusets impulsvektor en för liten storlek för att ett elektron ska kunna avge sin energi som ljus genom interbandsövergångar och samtidigt uppfylla bevarandelagen för impuls. I dessa material, där den konduktiva bandets minimumnivå inte sammanfaller med valensbandets maximumnivå, sker energiförlusten främst genom värme snarare än ljus. Detta beror på att momentumkonservationslagen inte lätt kan uppfyllas vid dessa interbandövergångar. I kisel är den radiativa rekombinationshastigheten (kR) mycket låg i jämförelse med den icke-radiativa rekombinationen (kNR), vilket gör att den kvantmekaniska effektiviteten (η) för ljusemission är nästan obefintlig. Detta innebär att en stor del av energin från elektronerna i konduktionsbandet går förlorad som värme, vilket gör det svårt att skapa effektiva ljuskällor baserade på kisel vid rumstemperatur.

Å andra sidan finns det direktbandgap halvledarmaterial, som III–V föreningar, till exempel GaAs och InGaN, där konduktionsbandets minimumnivå sammanfaller med valensbandets maximumnivå. I sådana material är det lättare för elektroner att frigöra sin energi i form av ljus, eftersom impulsen mellan de två banden redan är kompatibel. Här styrs effektiviteten för radiativa processer av konkurrensen mellan den radiativa rekombinationen (kR), där all energi avges som ett enda foton, och den icke-radiativa rekombinationen (kNR), där energi primärt förloras genom sekventiella fotonemissioner.

För att förbättra η för interbandövergångar i kisel har flera ingenjörslösningar prövats. Användning av nanostrukturerade system som nanokristaller, nanolager, nanotrådar, nanohål eller heterostrukturer med SiO2 och Ge har visat lovande resultat, men det finns fortfarande inga fullständiga lösningar för att skapa praktiska kiselbaserade lasrar för monolitiska optoelektroniska chip med CMOS-kompatibilitet. Det första exemplet på en kiselbaserad laser som fungerade vid rumstemperatur rapporterades 2005, men detta var en optiskt pumpad laser baserad på Raman-spridning snarare än en traditionell interbandövergång.

Raman-siliciumlasern arbetar genom att generera ljus via en annan process än den traditionella interbandövergången. Denna process, som baseras på Stokes Raman-spridning, möjliggör en mycket effektivare ljusemission vid rumstemperatur. Vid denna process stimuleras elektroner i kisel att sprida ljus med en frekvens som är förskjuten av den fononiska vibrationen i materialet, vilket gör det möjligt att uppfylla bevarandelagen för impuls. Detta fenomen, som först beskrevs av C. V. Raman och K. S. Krishnan 1928, gör det möjligt att avge ljus även från ett material som traditionellt inte är kapabelt att emittera ljus genom en vanlig interbandövergång. Denna typ av laserteknik innebär att ljus kan genereras med mycket låga tröskelvärden, och den har stor potential för att utveckla framtida integrerade optoelektroniska chip.

Raman-siliciumlasrar har gjort stora framsteg sedan deras första demonstration. De första experimenten utfördes i början av 2000-talet, och 2005 uppnåddes den första rumstemperaturens kontrollerade kontinuerliga våglasrörelsen med Raman-siliciumlaser. Detta innebar en genombrottsteknik som möjliggör laserdioder i kisel för integrerade kretsar. Dock har tekniska hinder som fri-carrierabsorption, där fria bärarkomponenter genererade genom två-fotonabsorption stör laserns stabilitet, krävt ytterligare forskning och utveckling.

Genom att använda optiskt pumpad Raman-spridning i kombination med nanostrukturerade waveguides har utvecklingen gått framåt. Nya material och strukturer, som rib-waveguides och fotoniska kristaller, möjliggör mycket högre verkningsgrad och mycket lägre tröskelvärden för lasrar i kisel. När dessa system används för att skapa fotoniska kristallhög-Q nanohåligheter, kan lasrarna fungera vid extremt låga lasrörelsegränser och förbli stabila vid mycket små energinivåer, vilket gör att de kan användas i framtidens små och effektiva optoelektroniska chip.

För att optimera och förstå dessa processer på djupet måste vi överväga flera faktorer utöver bara den grundläggande fysiken bakom Raman-spridning. Till exempel är fononernas egenskaper och förhållandena för kristallstrukturen av stor betydelse. Även om Raman-spektroskopi ger information om materialets kvaliteter, som spänningar eller imperfektioner i kristallstrukturen, är det också viktigt att tänka på de praktiska tillämpningarna och integrationen av sådana teknologier i kommersiella och industriella sammanhang. Forskning på detta område är en nyckel för att lösa problem relaterade till laserteknologier och deras integration i framtidens elektronik.

Hur Trumps Polariserande Rhetorik Formade Partipolitiken i USA
Hur olika gas-turbiner påverkar effekt och effektivitet i kraftverkscykler
Hur Trumps Immigrationspolitik Påverkade Familjer och Barn vid den Mexikansk-Amerikanska Gränsen
Hur kan man klassificera och förstå de generaliserade Hamiltonska systemen?
Hur metakognitiva signaler påverkar beslutsfattande och informationshämtning