纳米光子学(等离子激光学)的材料应用
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光子技术优越性
器件响应和系统处理速度快。 光开关器件响应时间最快达到 10-15s即飞秒(fs)量级 ,几乎到了其固有极限值。
利用多重波长和并行互联处理,能克服冯 · 诺依曼结 构的电子计算机的瓶颈效应,实现光互联。
没有阻抗匹配和没有必要布线回路,故可进行高速信 号处理。
纳米光子学的诞生
三种基本方法: 如图所示。
纳米压印方法
Figure 11. Schematic procedure for the preparation of hierarchical structures by wetting anodic aluminum oxide membranes with polystyrene microspheres.
4. 宏观量子隧道效应
宏观物理量,如量子相干器件中的磁通量、微颗粒 的磁化强度等也显示出隧道效应,它们可以贯穿宏观系 统的势垒而产生一系列变化,称之为宏观的量子隧道效 应。
5. 库仑堵塞效应
在一个小体系当中,电子只能以单个电子的形式一 个一个的进行输运,而不能集中起来一起输运。
光子学的发展
光子学内容极为 宽广,其涉及多种学
在这一尺度范围内对原子、分子等进行操纵和加工的技
术。
2. 纳米科技的主要研究内容
创造和制备优异性能的纳米材料、制备各种纳米器
件和装置、探测和分析纳米区域的性质和现象。
纳米材料的分类
按结构(维度)分为4类:
(1) 0维材料—尺寸为纳米级(100 nm)以下的颗粒状物
质 富勒烯、 胶体微粒、半导体量子点 (2) 1维材料—线径为1—100 nm的纤维(管)
激光器的发明不仅提供了光频波段的相干电磁波振 荡源,而且对时至今日的无线电频率下的许多电子学的 概念、理论和技术原则上均可延伸到光频波段,如振荡、 放大、倍频、混频、参量、调制、信息处理、通信、雷
达以至计算机等 。
光子学的发展
光学和电子学两个学 科的相互交融,促成了光 子学的建立,可以说光子 学是发展到现阶段的光学。 由于激光的发明,低 损耗光纤的研制成功和半 导体光电器件的发展,使 光学迅速进入近代高新技 术舞台,并对近代科学技 术和人类社会生活产生巨 大的影响。
纳米光子学(等离子激光学)的 材料应用
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Contents
纳米光子学发展简述
纳米有序结构的制备技术
表面等离子体激元
光子晶体
纳米光子学发展简述
纳米技术
光子学的发展
纳米光子学的诞生与发展
纳米技术
纳 米 (nanometer) 是 一 个 长 度 单 位 , 简 写 为 nm 。 1
nm=10(-9) m=10 埃。
模板法
Figure 4. Schematic illustration of fabrication of (a) individual spherical porous polymers from solid spherical nanoparticle templates, (b) tubular porous polymers from tubular porous templates, such as AAO, and (c) ordered macroporous polymers from colloidal crystal templates.
模板法
Figure 6. Cross-sectional SEM images of silane-modified AAO surfaces after the peel-off process. (a) NH2terminated and (b) CH3-terminated (inset: top-view image). The scale bar is 1 μm.
头发直径:50-100 m, 1 nm相当于头发的1/50000。 氢原子的直径为1埃,所以1纳米等于10个氢原子一个一 个排起来的长度。
纳米技术
1. 纳米科学技术
20世纪80年代末期刚刚诞生并正在崛起的新科技, 是研究在千万分之一米(10–7)到十亿分之一米(10–9米)内, 原子、分子和其它类型物质的运动和变化的科学;同时
Figure 7. The nanoreplicas were peeled off from AAO nanotemplateswith (a) a diameter of 250 nmand a pore length of 1.2 μm and (b) a diameter of 250 nm and a pore length of 1.7 μm. No rupture of nanofibers occurred. Instead, the peeled off nanofibers collapsed because the spacing between the nanofiberswith this high aspect ratio is too close. The inset images show the corresponding AAO nanotemplates. The scale bar is 1 μm.
Fig. 1. (a) Schematic illustration of the two step anodization procedure. (b) AFM image (400 nm×400 nm scan) of fabricated AAO nanowells.
电化学方法
图 2. 用于制备多孔氧化铝膜的两种电解池示意图:(a)纵向装置 (b)横向装置
纳米压印方法
Fig. 10. Schematic diagrams of imprint technologies (a) conventional nanoimprint lithography, (b) direct imprint metal films, (c) nanoimprint in metal/polymer bi-layer (NIMB).
纳米线 (L/D>10) 、纳米棒 (2<L/D<10) 、纳米管、纳
米丝
纳米材料的量子效应及特性
1. 表面效应
固体材料表面原子周围缺少相邻的原子,构成很多
悬挂键,导致表面能及表面结合能极高,易与其它原子 相结合而稳定下来,因此具有很高的化学活性。
2. 量子尺寸效应
主要表现就是由粒子尺寸减小引起电子能级形成量 子化分布。
信息社会对集成电路的集成度的要求越来越高,这 也促使人们不断探索能够突破器件尺寸极限的途径。于 是在这种形势的威逼下纳米光子学( Nanophotonics )
便应运而生了。
研究纳米结构中电子与光子的互作用及其器件的学 科 ; 是光子技术与纳米电子技术相融合合而开拓出的一 门崭新的学科。
纳米光子学的诞生
纳米压印方法
PAA模板
纳米压印方法
Fig. 12. Color online Schematic diagram to fabricate AAO with ideally ordered matrix arrays of pores using imprint stamps.
模板法
例二:
Fig. 8. Schematic Outline of the Experimental Procedure Used to Fabricate Free-Standing Au Nanotube Membranea
模板法
Figure 9. (a-c) SEM images of Au nanotube membranes fabricated from nanoporous AAO templates with different pore diameters (182, 222, and 326 nm for a, b, and c, respectively). Electrodeposition was carried out at a current density of 1.5 mA/cm2 for 50 s at 17 °C. (d-f) SEM images of 2-D arrays of Pt nanodots sputtered on Si substrate by using respective membranes a-c. The high magnification views of each micrograph are presented as inset.
目前在研究的纳米光子器件有:
纳米激光器、量子点红外光电探测器、多量子阱自电光
效应器件(MQW-SEED)、超晶格多量子阱红外光电 探测器阵列、纳米级薄膜制作的红外摄像器件、光子晶 体波导器件等。
纳米有序结构的制备技术
电化学方法
模板法
纳米压印方法
电化学方法
利用两步氧化的 方法制备多孔氧 化 铝 模 板 ( PAA 或AAO)
电化学方法
Figure 3. A series of SEM images acquired from the silver-coated PAA membranes formed under different constant DC voltages: a) 20, b) 30, c) 40, d) 50, and e) 60 V. The scale bar is 100 nm.Thesputteringtimesforthesilverareallsettobe10 min.f)AverageG3sizeasafunction of the applied anodic voltage.
TheodoreHaroldMaiman Born Jul 11 1927
光子学与电子学的关系
光子学与电子学的关系是继承与发展和相互依存的 关系。在信息科技领域,20世纪电子学作出了巨大贡献,
但由于其本身固有特性带来的局限而使其进一步发展无
论在速度、容量还是在空间相容性上都受到限制。 而光子的特性却蕴藏着巨大的发展潜力并表现出明 显的优越性,许多方面弥补了电子学的不足,为信息科 技的发展提供了新的可能性。
纳米材料的量子效应及特性
3. 小尺寸效应
当固体颗粒的尺寸减小到与光波长、德布罗意波长 等物理特征尺寸范围或者比其更小时,即进入纳米尺度
范围,晶体的周期性边界条件将遭到破坏,导致材料在
熔点、磁性、电阻、化学活性以及光吸收等特性方面与 同质块材有着巨大的差异,这就是小尺寸效应。
纳米材料的量子效应及特性
纳米光子学的一个理想目的就是通过纳米技术,将
有可能从单个的分子开始构建出功能完全等同于芯片的
一种物质,它既能够储存数据又能用作电子通道的开关。 纳米光子学将朝向纳米光电子集成的方向发展。
纳米光子学的发展
光子学+纳米技术
纳米光子学+纳米光子技术
纳米光子工程
纳米光子产业Leabharlann Baidu
纳米光子器件
纳米光子器件是纳米光子学的一个重要组成部分。
科和高技术领域;光
子学技术的应用遍及 国民经济各行各业和 科学技术的各个领域。 据专家预测,在21世纪中,光子产业的总产值将超过电 子产业的总产值。因此21世纪被誉为光子世纪。
光子学的发展
1960年激光的发明
激 光 器 (LASER) 是 电 子 学 中 微 波 量 子 放 大 器
(MASER)在波长上的延伸。
模板法
例一:
Figure 5. Formation of a 1D nanostructure via a peel-off process. AAO templates were fabricated by using two-step anodization, followed by surface modification with silane molecules. The nanopores were filled with a PDMS precursor, which was peeled off from the template after curing. The nanofibers are released from the template (top) or are ruptured (bottom).