亚波长电浆波导和电浆材料

文摘

精密加工技术的快速发展和先进的计算工具,纳米光子学已被广泛研究了高速数据传输,敏感的光学检测,超小对象的操作,和纳米尺度的可视化模式。作为一个重要的分支纳米光子学,等离子使得件轻松事在深亚波长尺度上的相互作用。等离子或基于表面等离子体光子学,关注如何利用金属的光学性质与充裕的自由电子,因此负介电常数。自由电子的振荡,当正确地由电磁波,会形成plasmon-polaritons附近的金属表面和潜在地导致极端光监禁。本文的目的是审查的亚波长或深亚波长电浆波导,电浆材料和制造技术。

1。介绍

等离子表面等离子体获得了一个名字——(SP)相关的光子,激发了1990年代末以来蓬勃发展的研究领域。实际上,表面等离子体研究的历史可以追溯到的调查表面等离子体共振(SPR)金属薄膜(1),甚至从纳米级金属颗粒光散射早在1970年代(2]。研究焦点已转移到电浆组件到子系统的集成光学通信和信息交换,当许多新颖的电浆设备开发近年来通信(3]。因此,电浆波导耦合器,调节器成为新的等离子时代的核心主题。两个因素催化和促成了这种转变。首先,随着先进的数值工具支持计算电磁学,强大的计算机和计算集群提供负担得起的和可以实现的。更重要的是,纳米和精密加工技术的快速发展,研究人员已经能够制造复杂的结构和操作的材料。在本文中,我们将回顾电浆波导的发展和进步,尤其是metal-insulator-metal波导的应用,基于他们的应用程序和各种电浆材料光谱和制造技术。

2。动机

光已成为最重要的一个航空公司的大量数据,以及一个可靠的和知觉和操纵微小颗粒的有力助手。古典形式相比,具有庞大的对象和衍射极限梁,近年来光学的科学利用的元素更加精细的件轻松事相互作用是加强内部规模小得多的长度比光波的波长。Microoptics和纳米光子学,尽管他们感兴趣的元素的小型规模,显示显著影响各种各样的应用程序通信、数据存储、传感、成像,等等。然而,介质波导的模式规模仍受衍射极限(接近,指导区域的折射率,真空入射波的波长),以及介质波导的尺寸进一步缩小将不可避免地导致截止。这种限制会导致小说引导机制和材料的探索。基于表面等离子体波导和金属,后来才发现,可以支持传播模式与金属表面紧密有界和可能限制指导波在深亚波长尺度。因此,等离子已经收到了极大的关注为其克服衍射极限的范围。

当前技术发展的趋势是小而紧凑的设备的需求和高容量的多个模块的集成在同一芯片上。摩尔定律在微电子执行更多的计算能力在单位面积,电信已经存在光纤到户(FTTH)概念(4),把重点放在高减少个人光学模块的大小和成本。这给安装带来了重大挑战下一代光学互联以紧凑的集成和更快的操作,可以解决可能通过诉诸等离子。

此外,光被预期为不可或缺的工具打印超细模式和操作,观察小物品。例如,光学光刻一直繁荣的关键半导体技术(5),但其速度的能力的路线图very-large-scale-integration (VLSI)技术已经放缓,因为大多数光学成像系统的衍射极限。另外一个例子,与DNA测序等复杂系统设备(6)设计和开发将超细光学子系统、成本和质量的光学耗材与少量的生物或化学物质已被证明是决定性的。它也预测,电浆nanofocusing可以彻底改变传统的磁记录光加热媒体堆栈高度限制的方式,根据技术heat-assisted磁记录(HAMR)或热辅助磁记录(TAMR) [7]。等离子,从这个意义上讲,应当发挥更大作用的光学成像和传感子系统的开发。

3所示。Nanoplasmonic波导

研究在等离子或其他SP-related主题经历了非常快的发展在过去的十年中,尽管据报道重大突破去年年底世纪(图1)[8]。本地化SP的研究仍然活跃,仍然发现应用程序从传感、检测、光刻技术,成像光学存储。自1990年以来,电浆的研究波导和plasmonic-enhanced(非凡)传输9)大大提高了主体的风险敞口。在本节中,等离子的基本面和电浆波导理论将详细审查。

3.1。金属与柯克光学模型

金属的电影通常被视为反射镜或包覆层的导波微光学可见光和近红外(NIR)光谱。而金属的光学作用似乎有限,等离子体光学的历史非常长,虽然总体上缺乏从导波的角度详细描述。等离子体光学假设的合理性有效介电常数的传导电子或电子气体,这决定了等离子体振荡,以应对外部光的行为驱动场(10]。等离子体是一种量化的等离子体振荡,集体振荡的运动可以正确地支持电磁(EM)波在光学频率。频率相关导规定,经典洛伦兹运动方程可以推导出有效介电常数(11),提供独立的频率等离子体频率,而描述了电子浓度,单位电荷,自由空间介电常数,电子的质量。

等离子体的体积有等离子体频率特征的原因,柯克模型可以用于确定金属的介电常数(自由空间介电常数):

在本文中,我们主要考虑金银应用近红外和可见光。等离子体频率远高于1000太赫兹,和一般高于入射光束的频率。的等离子体频率,和阻尼因素近红外光谱的铝、黄金、铜和银表所示1,改编自12]。这四种金属的介电常数绘制在图2通过引用(13]。

通过比较等离子体频率和阻尼因子,考虑光学应用程序制度,我们得出这样的结论:外部驱动领域一般从光线会满足的先决条件柯克模型和有效介电常数上面引用的形式主义。因此,电磁波在等离子体环境中使用的有效介电常数的形式(没有额外免费的当前或电导率)可以表现为经典的亥姆霍兹方程来源于麦克斯韦方程

注意,在使用的安培定律推导方程,没有免费的任期。电导率的因素可以被吸收的有效介电常数如下,虽然下面的分析通常会忽略阻尼因子假设中定义的形式(1)。因此

3.2。等离子体和表面等离子体

考虑一个平面波的形式的解决方案(2),可以得到色散关系 方程(4)清楚地表明,金属与积极的批量介质介电常数将支持面波。换句话说,如果驱动频率高于大部分等离子体频率、等离子体(或金属)这个外部电磁波变得透明 这种色散关系的自由电子气体固体蓝色曲线如图所示3。

另一方面,负介电常数获得当入射光束的驱动频率低于等离子体频率,从而导致的隐失波的波矢量,给出的 这个关系是虚线所示曲线轴承较低的截止频率与等离子体频率有关在图3。身体上,事件字段来自任何方向,该领域将影响到一个小厚度称为皮肤深度,然后被完全屏蔽的自由电子。的概念和术语“皮肤深度”传达了一个暗示,只有一小部分大部分金属可以参加photon-material互动,和非常有限的field-penetration power-propagation能发生。外部光学领域只能渗透金属几个纳米范围在这个频谱,因此相比微不足道的反射功率辐射远离金属表面。

等离子体不支持大部分电磁波与负介电常数。然而,它也知道色散与负介电常数很大潜力工程或纳入复杂复合材料对于小说的应用程序,因为研究人员已经做了人为的结构如光子晶体(14)或超材料(15]。从这个意义上说,柯克所描述的等离子体激元的色散模型提供了一定的机会操纵电磁波和字段,将会看到表面电浆子的情况。

表面等离子体激元的色散曲线会更复杂。表面等离子体波,揭示表面的宏观运动plasmon-polaritons(许可证),是一个连贯的组合的电子气体振荡(等离子体)和光子。对于一个简单的单一金属绝缘体界面二维(2 d)认为,一个横电(TM)解决方案(2)是可用的1,16]。一个匹配的实际传播常数()需要保持波动在两种材料(金属和绝缘子)。因此,许可证色散关系的一个接口 传播常数(),它是可行的定义皮肤深处作为(图4)。

新学期的表面等离子体频率()定义,(7)导致色散图许可证。对于air-metal的情况,表面等离子体频率是0.707。

在图5,有一个能带之间和,当曲线只给想象中的传播常数(隐失波)。当,SPP模式在TM极化存在。一个非常大的可获得价值代表一个点的共振频率点,即SP共振振荡。当,;所以金属表现出介电行为与辐射无限自lightline上方的模式是绝缘体。上面的色散关系绘制不考虑阻尼因子,这将迫使一个有限的波矢量再保险()由于自由电子振荡的阻尼。在这种情况下,右边的7)成为一个复杂的价值和分散也会略微不同于理想导体(的情况下16]。

上面介绍的单一接口案例说明几个重要人物相关许可证。首先,持续的表面波沿金属表面可以兴奋伴随着欧姆损失,虽然在同一频率大部分金属对电磁波仍然是“不透明的”。其次,即使存在有界解半铁壳的绝缘子,这意味着SPP模式局限于单一的金属绝缘体界面小平面外辐射。第三,SPP模式的传播常数大于lightline的频率相同的时候,当驾驶领域已经频率,这表明一个更小的SPP模式相比,光学模式的有效波长相同的频率。这三个特征是大多数应用程序的来源审查在这篇文章中,很多之前努力的基础。

3.3。Metal-Insulator-Metal (MIM)波导

尽管可以局限于金属绝缘体表面电浆子边界,SP电波的传播方式取决于波导的配置和频率。在波导介质损耗尾巴的长度可以近似,当γ动量守恒的定义如下: 表2显示的金属绝缘体(MI)波导损耗的尾巴可以很长的波长相比。亚波长和深亚波长模式约束,有必要探索不同的波导形式。下面的部分将从一个重要的电浆波导,即metal-insulator-metal (MIM)波导。

这个想法将表面等离子体激元引导电磁波可以追溯到1969年,Economou的论文(1在新兴市场领域的理论研究超薄薄膜内部配置。注意,这是大约30年后,与先进的仿真工具和微型制造技术的进步,人们开始描述电浆波导光学频率。

一个简单但重要的形式的电浆波导是基于metal-insulator-metal (MIM)配置(图6)。这种波导,如它的名字所表明的那样,由三层介质核心的空气或者其他绝缘体(通常与低光学损耗和相对小的折射率),夹在两个金属包复。在Economou的工作1),MIM结构的色散关系是分析解决。近年来,详细分析(17,18和实验研究19的MIM仍执行和报告。

作为广泛的数值分析,验证了MIM波导具有明显的可接受的传播损耗和亚波长模式之间的权衡的大小。Veronis和风扇20.],费根鲍姆和奥伦斯坦[21),表现三维(3 d)模拟和模态分析MIM(有时称为MDM metal-dielectric-metal)结构。他们成功地显示,尽管MIM的模式大小可以下推到非常接近的物理尺寸指导核心在深亚波长政权,可接受的传播使MIM波导长度为芯片上信号传输(表竞争3)。2 d到3 d转换验证缩减2 d nano-slit [1一个3 d nanospot] [20.,22]。这个特性带来的可能性使用MIM结构作为设备指导传播波超小尺寸(图7),因此一个有趣的应用程序平台,需要极端的字段约束或加强件轻松事交互。金属三明治可能包含不需要的从粗糙表面散射损失,MIM配置的另一个优点。

从传递矩阵的角度来看,它已被证明,如果基本TM模式是兴奋在MIM差距,波导的工作原理以及输电线路(TL)系统,并显示减少散射损失从弯管23),与传统的光学波导。输电线路(TL)理论,采用微波领域,已应用于级联MIM系统(24)研究复杂的反射和透射系数或MIM波导多层组成。TL的形式主义理论基于固有模式扩张,发现成功的尤其是在计算之间的耦合效率SP电波传播通过几个mim项目。

随着MIM波导,insulator-metal-insulator (IMI)配置也发现许多应用程序。IMI是由埋薄金属核心介质背景,如果是严格满足对称条件,TM模式非常类似于介电模式可以支持。设备将IMI已经证明对被动(25和活跃26)情况下,因为IMI的传播损耗大大小于MIM,它经常被用于发射近红外光谱光功率在更长的距离超过10m的马克。缺乏约束模式,然而,妨碍了它的用法在深亚波长尺度,所以它与金属绝缘体(MI)波导(表3)。

基于MIM平台与极端的权力约束,强调几个值得注意的发明或发现。阿特沃特和他的同事已经在很大程度上造成了这个话题与他们描述的MIM电浆波导(27]。陈(28从康奈尔大学蒸发金硅肋骨上形成MIM波导,也开发了一种新的有效的方式从光子激发SP模式。等离子领域的活跃,nanocavities MIM波导的形成提出了快速调制(29日,30.),未来小字调节器的表现出巨大的发展潜力。

它也是有趣的从不同的角度看MIM波导。如果一个MIM波导是一个很小的传播切碎(小于一百纳米,例如),同时一个光束照亮到自由空间的波导,这种情况将非常接近传输通过一个光学头(31日),可用于计算功率通过亚波长狭缝或一个洞刻在薄膜。一个重要的文学作品发表在额外的传输与SP波来自艾布森et al。(9]。本文至少10倍的传播的仪式增强报道(图8后),促进表面干硬后应用的特点。具有讽刺意味的是,这样一个重要的文学后来是被作者自己,增强报道是夸大事实,因为有问题的测量。等离子的角色在额外的传播因此辩论,(32],特别是[33回顾了。《自然》杂志论文从最初的作者之一,抄件,含硫的转化是最激进的对手之一表面等离子体激元增强传播的作用。一个衍射理论32),从她的观点来看,是强大到足以解释大多数extratransmission中观察到的现象。

尽管辩论,然后是不可能停止的渴望研究人员利用SP波实现更高的传输通过亚波长小孔或缝隙。例如,Pacifici et al。34)近场探测器用来描述字段配置文件当波纹表面被飞机波浪。他们设法观察亚波长光的聚焦和给自己的物理模型来解释它。一个精心设计的面具(35]找到能够实现亚波长传播除了近场与非辐射的干扰。这个发现可能比上一个更有趣的远场成像和纳米等应用程序。越来越多的理论计算电磁波在周期表面特性或狭缝衍射等(36,37]或[38)仍在阐述和出版,提供新的方法或理解到这个主题。

上面介绍的extratransmission实验大多是基于事件飞机从自由空间波或均匀介质半空间。2007年,Veronis和球迷发表了仿真结果39]研究近红外光谱光的行为当介质波导butt-connected MIM波导。他们发现,虽然模式概要介质和MIM波导之间有很大的不同,传播可以达到70%。有不少以前未知提到的理论分析。首先,没有找到重叠模式作为耦合的一个关键问题,“漏斗式”效应最近被数值模拟进行验证(40]。第二,直接耦合只适用于TM偏振,相比是不同的经典案例孔径天线加载在无限地平面41]。因此,一个不同的物理与孔径天线理论必须存在。第三,光学模式的方式夫妇SP TL形式主义模式是不同的。匹配传播常数并不一定保证最佳耦合效率,电浆波导的固有模式在本质上是不同的对于正规化相比传统矩形波导。说了这么多,直接耦合等离子社区仍然是一个有趣的话题,一直让我衷心感激与电浆设备作为一个实用的方案。

3.4。亚波长周期性波导的结构

表面电浆子分组自由电子在地表附近的振荡。等离子体的耦合和光子可能发生在一个金属和绝缘体之间的界限。“捐赠”的等离子体、金属通常设计与绝缘体分享平面边界,以避免不必要的出平面散射。粗糙的边界或表面干硬后,另一方面,偶尔介绍(16)励磁或观察的许可证。从理论上讲,表面电浆子存在中间红外(MIR)甚至远红外线(杉木)政权。我们可以回忆在介电损耗尾巴的长度是由1/2γ_d,而这个词γ_d是由 电磁波的频率远小于光学频谱,是负的绝对值大,这样的价值可以非常小。金属绝缘体情况,指的色散关系(7),我们可以看到将方法的右边(8)。因此,可能会非常小,导致很长会凋零的尾巴。这种类型的表面波看起来接近所谓的Zenneck或索姆费尔德波42)和字段约束将会非常可怜的(表3)。

显然,实现严格的有界之外的表面波等光谱太赫兹(太赫兹)甚至兆赫(GHz)政权,一个平坦的表面是不够的。另一方面,较低的频率(或波长越长)可以使较小的金属表面起皱。如果考虑起皱是足够小的波长相比,它可以合理地使用有效的媒介形式主义的特征。这种方法被称为“恶搞等离子”彭迪et al。43),企图实现任意“欺诈”等离子体频率通过钻孔完美的电导体(压电陶瓷)。

当起皱均匀分布方向(图9(一个)),压电陶瓷大部分可以被视为一个单轴晶体,一个典型的各向异性材料。分散计算收益率上限截止频率和极其缓慢的向这个截止,典型的SPP的行为一样。更重要的是,当一个有效的媒介是用于分析,传统等离子的理论可以应用于结构化表面。因此,表面等离子体频率的概念也可以被扩展来描述这种超材料的属性。而不是规范的价值,新的(或有效)表面等离子体频率是由表面干硬后的尺寸。因此,这种超材料的光学性质可以很好地通过调整物理扰动控制应用于散装材料。

恶搞电浆的方法激发了许多基于表面干硬后发现特别是在太赫兹地区金属几乎无损的和紧凑的太赫兹波导的高需求。麦尔et al。44)设计了一种太赫兹波导的亚波长监禁2 d在1工作太赫兹。Martin-Cano等人设计了金属光栅太赫兹波导的平台,同时可以集成多个无源设备(45]。在GHz地区,赵et al。46设计师]使用表面等离子体方法展示相同的概念(图10)。

恶搞等离子的另一个平台是基于分层介质,发现大量应用在光学政权。多层复合材料与周期性layer-unit广泛恳求作为完美透镜的负折射率材料(年来)。作为一个有效的媒介,其各向异性很近似的简单混合规则(47,48)如果每个重复层足够薄与波长相比。随着超透镜效应(49),多层复合材料也被用来支持surface-plasmon-like波(50,51),用于纳米。图11显示了一个多层结构的电场示意图,当表面波形成的组合(48]。

4所示。电浆材料和制造技术

实验等离子的进步密切相关材料研究和制造技术的进步。电浆现象观察和调查了40多年,最初从金属颗粒光散射在早期,逐渐包括粒子阵列的光引导和分层结构。没有先进的制造方法处理电浆材料和电浆结构集成到光电路,是不可能指望在传感、电浆的巨大应用组件成像、存储和通讯。在本节中,最重要的电浆材料及其加工方法将回顾。

在固体物理、表面等离子体激元被视为分组振荡的电子气体。电子气模型材料符合大量的自由电子,它本质上是更准确的对简单金属(碱金属)。金属在室温半导体技术电子浓度接近10的顺序²²每厘米³,而半导体或掺杂材料广泛应用于这个行业有一个载体浓度小于10¹⁷每厘米³。因此,大多数电浆结构,特别是对于光谱,将涉及金属在某种程度上。所使用的绝大多数材料在等离子仍是那些在室温下稳定,特别是铝(Al)和黄金等贵金属(Au)银(Ag)和铜(铜)(表1)。免费替代电浆材料已知含有丰富的运营商包括金属合金、金属化合物、石墨烯。

4.1。金属

金属和理解通过自由电子模型,研究了电子在金属被视为移动彼此几乎没有引人注目。在三维电子气,柯克形式主义所描述的弛豫时间是阻尼频率。贵金属常用在等离子,总阻尼不仅来自传导电子之间的相互作用,而且从带间的转换10,16]。无论设计的阻尼振荡实际上来自,经典电磁问题的传播损耗电浆金属可以评估从介电常数的虚部和电场强度,视为消散或迷失在欧姆加热的形式。因此,一个简单的图选择电浆材料的优点是它的电阻率。通过阅读视电阻率数据或各种金属的介电常数(52),有可能发现合适的候选人材料不同的频率范围。在近红外光谱,银的介电常数虚部和最好的导电性,使它非常喜欢材料。简单的氧化在某种程度上限制了其应用,并使黄金一个受欢迎的候选人在这个频率范围。紫外线的应用程序或DUV光如193海里DUV光学光刻技术,然而,铝被证明是最具吸引力的候选人(12)(表1)。

加工金属(特别是贵金属)一般复杂,尤其是与半导体相比用于精密加工。可以实现电浆金属的沉积在真空溅射和蒸发。避免渗流,并获得可接受的一致性和质量,沉积速率通常限于小于1 nm每秒。小沉积速率通常不是一个大问题在大多数情况下所需的厚度对等离子很小。电镀金属增长速度快但是表面的质量可能不被视为好足够的等离子体波。

模式从抵制为贵金属金属极具挑战性,因为没有很多有效的方法腐蚀铜、银、或黄金。电浆金属如铝可以通过等离子体蚀刻蚀刻在Cl₂的环境。除此之外,通常有两种方法模式金属。第一个是通过图像反转和发射过程,它要求抵制过剩之后的发展。多亏有专门用于发射过程如nLOR MicroChem (53),研究人员还用双层或多层组合实现关键的过剩[54]。使用双层抗拒升空时,通常需要上衣底部抵抗层至少两倍厚发射厚度。因此,它是不容易有很高的比例,独立制作的金属特性。第二种方法通过离子铣削模式金属。聚焦离子束可以直接用于轧机模式成黄金或白银的电影,虽然它通常从光束源介绍再沉淀。氩离子束是另一个选项,可以使用贵金属,这需要努力面具如碳也会大大增加步骤的数量和处理的复杂性。

4.2。化合物

金属硅化物最初被用来减少接触电阻率在超大规模集成电路特别是MOSFET的技术。因为他们有一个中间金属和半导体之间的导电性和载体浓度,硅化物化合物也被追究电浆应用尤其是在太赫兹频率(55]。以化合物的形式组成的硅和金属(钛、Co、W、镍、Pd、等等),硅化物有一个较小的电浆频率相比,贵金属一般用于近红外政权和更高的损失。然而,随着它的制造和大规模集成电路的电气特性都进行了广泛的研究技术,非常薄层的沉积高度可靠和准确的模式。

透明导电氧化物(TCO)材料光学透明和导电。作为使用最广泛的TCO之一,氧化铟锡(ITO)已被广泛研究和应用于工业和光电显示为一个光学涂层。ITO具有负介电常数的频率范围也在近红外光谱,据报道,伊藤竞争力低损耗甚至比银。ITO薄膜的沉积可通过溅射淀积(56]。使用伊藤的主要担忧是其价格,和不稳定的光学性质不同的生长条件。类似的材料包括铝氧化锌(偶氮),镓氧化锌(GZO),等等(57]。

4.3。石墨烯和其他

少数罕见但有趣的材料作为潜在候选人存在电浆的应用程序。其中,石墨烯和聚合物基等离子吸引了越来越多的关注,因为杰出的电子和光学性质。石墨烯的电浆房地产一直在预测(58- - - - - -60),显示出可喜的可调光电导率。标准的方法对石墨烯层沉积是有限的,虽然口供基于转移印花方法(61年),心血管疾病(62年),静电方法(63年已报告。

5。结论

表面等离子体光学传感和成像技术已经被广泛的研究,甚至早在术语“等离子”成为被广泛接受的。从SPR在等离子上独立的设备,先进的模拟和制造工具的帮助下,强调电浆特性的集成子系统对各种光学通信和信息交换。随着越来越多的重要的发现基于表面等离子体波导在亚波长或深亚波长政权,等离子预计将进一步影响集成光通信的研究和开发,数据存储、光学传感和成像技术。

承认

本文是基于工作支持部分由美国陆军奖。w911nf - 10 - 1 - 0153和美国国家科学基金会奖。eccs - 1057381吗。承认的捐助者的美国化学学会石油研究基金的部分支持这个项目。

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