Studie zeigt, dass die optische Anregung heißer Ladungsträger eine ultraschnelle dynamische Steuerung nanoskaliger Plasmonen ermöglicht

Photonisches Rechnen, Speichern und Kommunizieren sind die Grundlage für zukünftige photonische Chips und rein optische neuronale Netze. Nanoskalige Plasmonen spielen mit ihrer ultraschnellen Reaktionsgeschwindigkeit und ihrem ultrakleinen Modenvolumen eine wichtige Rolle bei der Integration photonischer Chips. Aufgrund der Material- und Grundprinzipienbeschränkungen vieler früherer Systeme sind diese jedoch oft nicht mit der bestehenden Optoelektronik kompatibel und ihre Stabilität und Bedienbarkeit sind stark beeinträchtigt.

Ein kürzlich Bericht In National Science Review beschreibt Forschungen zur dynamischen und reversiblen optischen Modulation von Oberflächenplasmonen basierend auf dem Transport heißer Ladungsträger. Diese Forschung kombiniert die Hochgeschwindigkeitsreaktion von Metallnanoplasmonen mit der optoelektronischen Modulation von Halbleitern.

Durch die optische Anregung der heißen Elektronen moduliert es die Ladungsdichte im Gold und die Leitfähigkeit der Nanolücken, was letztendlich ein reversibles und ultraschnelles Schalten der Plasmonresonanzen ermöglicht. Damit stellt es einen wichtigen Prototyp für optoelektronische Schalter in nanophotonischen Chips dar.

Diese Forschung wurde von der Forschungsgruppe von Professor Ding Tao an der Universität Wuhan in Zusammenarbeit mit Professor Hongxing Xu, außerordentlichem Professor Li Zhou und Forschungsprofessor Ti Wang sowie Professor Ququan Wang von der Southern University of Science and Technology geleitet.

Das Forschungsteam stellte zunächst Au@Cu2-xS-Kern-Schale-Nanopartikel her und charakterisierte deren Mikrostruktur. Die experimentellen Ergebnisse zeigten, dass die Sol-Gel-Methode Au@Cu2-xS-Kern-Schale-Nanopartikel mit unterschiedlichen Schalendicken ergeben kann, was einen idealen Träger für die Realisierung einer ultraschnellen dynamischen Steuerung nanoskaliger Plasmonen darstellt. Au@Cu2-xS-Nanopartikel auf verschiedenen Substraten können eine ultraschnelle dynamische Kontrolle von Plasmonen erreichen.

Unter Laserbestrahlung zeigt der plasmonische Resonanzpeak von Au@Cu2-xS-Nanopartikeln auf dem SiO2/Si-Substrat eine Rotverschiebung, während der plasmonische Resonanzpeak von Au@Cu2-xS-Nanopartikeln auf dem Au-Substrat eine Blauverschiebung aufweist. Wenn der Laser ausgeschaltet wird, kehren die Resonanzspitzen in ihre Ausgangspositionen zurück. Alle optoelektronischen Abstimmungsprozesse haben Reversibilität, Steuerbarkeit und relativ schnelle Reaktionsgeschwindigkeiten gezeigt.

Transiente Absorptionsspektren (TA) und theoretische Berechnungen deuten darauf hin, dass die optische Anregung der plasmonischen Verbundstruktur Au@Cu2-xS dazu führen kann, dass die heißen Elektronen in Au auf Cu2-xS übertragen werden, was zu einer Abnahme der Elektronendichte von Au und a führt Rotverschiebung der lokalisierten Oberflächenplasmonresonanz (LSPR).

Wenn dagegen Au@Cu2-xS auf einem Au-Substrat (NPoM-Struktur) platziert wird, können die heißen Elektronen durch die Cu2-xS-Schicht zum Au-Substrat transportiert werden, was die Leitfähigkeit des Nanospalts erhöht und eine Blauverschiebung verursacht die gekoppelten Plasmonpolaritonen. Diese auf dem Transport heißer Ladungsträger basierende plasmonische Kontrollstrategie eignet sich besonders für die Integration optoelektronischer Geräte und stellt Geräteprototypen für photonische Berechnungen und Verbindungen bereit.