Перспективы использования нитрида титана для плазмонных волноводов Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Маноматериалы и нанотехнологии в азрокрсмической отрасли

УДК 535.8; 544.77.03

ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НИТРИДА ТИТАНА ДЛЯ ПЛАЗМОННЫХ ВОЛНОВОДОВ

В. И. Закомирный1'*, И. Л. Рассказов1, А. Е. Ершов1'2, C. В. Карпов1'3'4, C. П. Полютов1

1 Сибирский федеральный университет Российская Федерация, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 79

2Институт вычислительного моделирования СО РАН Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50/44

3Институт физики имени Л. В. Киренского СО РАН Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50/38 4Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

E-mail: *[email protected]

Исследованы возможности применения нитрида титана (TiN) как альтернативного материала для передачи поверхностных плазмон-поляритонов в упорядоченных структурах из наночастиц. Полученные данные о дисперсионных характеристиках открывают перспективы для использования массивов из TiN наночастиц в качестве элементов оптических интегральных микросхем нового поколения.

Ключевые слова: наночастица, нитрид титана, поверхностный плазмон-поляритон, плазмонный волновод.

PERSPECTIVES OF USING THE TITANIUM NITRIDE FOR PLASMONIC WAVEGUIDES

V. I. Zakomirnyi1*, I. L. Rasskazov1, A. E. Ershov1,2, S. V. Karpov1,3,4, S. P. Polyutov1

1Siberian Federal University 79, Svobodnyi Av., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation 2Institute of Computational Modeling SB RAS 50/44, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation

3Kirensky Institute of Physics SB RAS 50/38, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation 4Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: *[email protected]

The paper proposes the possibility of using titanium nitride (TiN) as an alternative material for the transmission of surface plasmon polaritons in ordered structures of nanoparticles. The data on the dispersion characteristics obtained provide an opportunity of utilizing such structures in optical integral circuits of new generation.

Keywords: nanoparticles, titanium nitride, surface plasmon-polariton, plasmon waveguide.

Введение. В настоящее время весьма актуальным является исследование оптических свойств периодических структур из наночастиц, обладающих поверхностным плазмонным резонансом [1], в связи с возможностью использования этих объектов в качестве функциональных элементов оптических микросхем нового поколения. Применение таких микросхем является перспективным во многих областях науки и техники, в том числе и в ракетно-космической области.

Наиболее распространенными плазмонными материалами являются благородные металлы, прежде всего серебро (Ag) и золото (Аи). В литературе также приводятся результаты поисков альтернативных плазмонных материалов [2]. В настоящее время нитрид титана (1ГЫ) находит всё большее применение в области плазмоники [3]. Это связано с простотой синтеза ТЫ наночастиц, а также с его высокой термической и химической стабильностью [4]. Так, например, температура плавления нитрида титана в три

раза превышает температуру плавления золота и серебра [4].

Таким образом, исследование оптических свойств различных периодических структур, состоящих из ТЫ наночастиц, представляет повышенный интерес с точки зрения поиска новых областей применения плазмонных наночастиц, а также развития уже существующих приложений.

Модель. Существенная часть теоретических работ, посвященных исследованию волноводных свойств оптических плазмонных волноводов, основана на использовании дипольного приближения [5].

Система дипольных уравнений, описывающая электромагнитное взаимодействие между наночасти-цами и внешним полем, будет выглядеть следующим образом:

1 Н -

- dи -X = ЕГ. (1)

<Решетневс^ие чтения. 2016

Для расчета дисперсионных характеристик оптического плазмонного волновода (ОПВ) воспользуемся методом спектрального разложения, впервые предложенным в работе [6].

Для уравнения (1) в соответствии с теоремой Блоха можно записать d п = d ехр (iqnh)

и ЕПхг = Е6x1 ехр ), где q - собственный вектор моды Блоха. С учетом вышесказанного уравнение (1)

примет следующий вид:

1 л 11 -Е ^

iqnh

а

d = Ee

(2)

Существенным преимуществом метода спектрального разложения является одновременное вычисление как собственных мод ОПВ, так и их добротности.

Таким образом, построение величины Im [а ] = F (ю, q) как графика функции двух переменных дает полную картину о дисперсионных характеристиках ОПВ, что, вообще говоря, невозможно при использовании других методов, рассматриваемых в литературе [7].

Результаты. Перейдем к дисперсионным свойствам линейных ОПВ. Для этого изобразим значения log [Im (а)] как функцию частоты ю и собственного волнового вектора q. При этом чем выше значение log [Im (а)] , тем выше добротность собственной моды ОПВ.

В случае ОПВ из сферических наночастиц наиболее эффективно распространяются моды, возбуждаемые на частотах ю~ 3 -3,5 рад/фсек, как для про-

дольной, так и для поперечной поляризации. При этом если выделить область наилучшей добротности, то она имеет малый наклон, что соответствует крайне медленному распространению ППП.

Таким образом, становится очевидным, что ППП в ОПВ из сферических TiN наночастиц будет распространяться не только с малой групповой скоростью, но и с большими потерями на поглощение, что в свою очередь хорошо согласуется с данными, полученными для ОПВ из Ag наносфер [7].

Ранее в работе [7] была продемонстрирована возможность увеличения добротности собственных мод, а также групповой скорости распространения ППП при замене в ОПВ сферических частиц на сфероидальные.

На рисунке изображены дисперсионные характеристики ОПВ, состоящих из вытянутых и сплюснутых TiN сфероидов с соотношением полуосей b/a = 0,6.

Видно, что в случае продольной поляризации общий вид дисперсионных характеристик слабо отличается от ОПВ из сферических наночастиц, однако добротность мод, расположенных вблизи световой линии ю = q / c , существенно возрастает.

В случае же поперечной поляризации (направленной вдоль большей оси сфероидов, коллинеарно оси Y), максимальные значения log [Im (а)] существенно возрастают. Помимо этого, область наибольших значений log [Im (а)] смещается в область частот ю~ 2 -3 рад/фсек.

Дисперсионные характеристики линейных ОПВ из вытянутых (а, с) и сплюснутых (Ь, С) TiN сфероидов с соотношением полуосей Ь/а = 0,6 для различных поляризаций собственных мод: а, Ь - продольная поляризация (вдоль оси X); с, сС - поперечная поляризация (вдоль оси У). ОПВ расположены в кварце с Sh = 2,25

Каноматериалы и нанотехнологии в азрокосмической отрасли

Таким образом, линейные ОПВ из ТЫ наночастиц с различной степенью несферичности обладают широкой перестраиваемой полосой пропускания, что позволяет данным волноводам функционировать в различных диапазонах длин волн: от видимого (»400 - 750 нм) до телекоммуникационного ( « 1260 -1625 нм).

Данная особенность в первую очередь открывает возможности использования ОПВ из ТЫ наночастиц в качестве перспективных совместимых компонентов гибридных КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник) - фотонных микросхем.

Заключение. Оптические плазмонные волноводы из ТЫ наночастиц с различной степенью несферичности являются пригодными для передачи пространственно-модулированного возбуждения в виде поверхностных плазмон-поляритонов. При этом эффективность распространения оптического сигнала в таких волноводах незначительно отличается от цепочек наночастиц из Ag или Аи.

Уникальные плазмонно-резонансные свойства ТК наночастиц позволяют перестраивать полосу пропускания оптического плазмонного волновода в широком диапазоне (от видимого диапазона спектра до телекоммуникационных длин волн), что вообще говоря, является недостижимым при использовании классических материалов плазмоники.

References

1. Stockman M. I. Nanoplasmonics: past, present, and glimpse into the future // Opt. Express. 2011. Vol. 19. P. 22029.

2. Boltasseva A., Atwater H. A. Low-loss plasmonic metamaterials // Science. 2011. Vol. 331 (6015). P. 290-291.

3. Fully cmos compatible titanium nitride nanoantennas / J. A. Briggs, G. V. Naik, T. A. Petach, B. K. Baum, D. Goldhaber-Gordon, J. A. Dionne. Appl. Phys. Lett, 2016. Vol. 108 (5). 051110.

4. Local heating with lithographically fabricated plasmonic titanium nitride nanoparticles / U. Guler, J. C. Ndukaife, G. V. Naik, A. G. A. Nnanna, A. V. Kildishev, V. M. Shalaev, A. Boltasseva Nano Letters.

2013. Vol. 13 (12). P. 6078-6083.

5. Feng-Qi Y., Chun-Ping Z., Guamg-Yin Z. Transmission spectrum of a system composed of one-dimensional chains of small metallic spheres, Phys. Rev. B. 1990. Vol. 42 (17). P. 11003-11007.

6. Fung K. H., Chan C. T. Plasmonic modes in periodic metal nanoparticle chains: a direct dynamic eigenmode analysis, Opt. Lett., 2007. Vol. 32 (8). P. 973-975.

7. Rasskazov I. L., Karpov S. V., Markel V. A. Waveguiding properties of short linear chains of nonspherical metal nanoparticles, J. Opt. Soc. Am. B,

2014. Vol. 31 (12). P. 2981-2989.

© Закомирный В. И., Рассказов И. Л., Ершов А. Е., Карпов C. В., Полютов C. П., 2016

УДК 543.428

СПЕКТРОСКОПИЯ ПОТЕРЬ ЭНЕРГИИ ОТРАЖЕННЫХ ЭЛЕКТРОНОВ В СТРУКТУРАХ НА ОСНОВЕ КРЕМНИЯ И ПЕРЕХОДНЫ1Х МЕТАЛЛОВ

1* 1 2 13 14

А. Ю. Игуменов1 , А. С. Паршин1, Ю. Л. Михлин2, О. П. Пчеляковм, В. С. Жигалов1,4

1Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

2Институт химии и химической технологии СО РАН Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50/24

3Институт физики полупроводников имени А. В. Ржанова СО РАН Российская Федерация, 630090, г. Новосибирск, просп. Академика Лаврентьева, 13

4Институт физики имени Л. В. Киренского СО РАН Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50/38 *Е-таП: [email protected]

Структуры на основе кремния и переходных металлов перспективны для создания устройств наноэлек-троники, нанофотоники и спинтроники, имеющих значение для развития ракетно-космической отрасли. В данной работе проведено исследование структур на основе Б1, Fe, Мп методами спектроскопии характеристических потерь и сечения неупругого рассеяния электронов с применением авторской методики аппроксимации последних Лоренцевоподобными пиками Тоугаарда.

Ключевые слова: структуры металл-полупроводник, полупроводники, металлы, силициды железа, спектроскопия сечения неупругого рассеяния электронов, спектроскопия характеристических потерь энергии электронов.