Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Магнитогорский государственный технический университет

им. Г.И.Носова»

Кафедра электроники и микроэлектроники

Реферат

по дисциплине «Наноэлектроника»

на тему «Нанофотоника. Физические основы. Сфера применения. Устройства нанофотоники.»

Исполнитель: Зарипов М. В. студент 3 курса, группа АНб-21-2

Руководитель: доцент кафедры ЭиМЭ, к.т.н. Швидченко Н. В.

Магнитогорск, 2024

Содержание.

1. Введение.

2. Глава 1. Физические основы нанофотоники.

   1. Определение и основной принцип нанофотоники.

   2. Основные физические явления в нанофотонике.

   3. Материалы для нанофотоники.

3. Глава 2. Сфера применения нанофотоники.

   1. Информационно-коммуникационные технологии.

   2. Медицина и биотехнологии.

   3. Энергетика.

   4. Биосенсоры и устройства визуализации.

4. Глава 3. Устройства нанофотоники.

   1. Лазеры и источники света на наноразмерном уровне.

   2. Нанофотонные детекторы и сенсоры.

   3. Нанофотонные схемы и интегральные устройства.

   4. Устройства для манипуляции светом.

5. Заключение.

   1. Вывод.

   2. Перспективы развития.

6. Список литературы.

1. Введение.

Нанофотоника является одной из самых передовых и перспективных областей современной науки и техники. Включающая в себя исследование взаимодействия света с наноструктурами, нанофотоника открывает двери к многочисленным инновациям, которые могут значительно изменить наше будущее. В последние десятилетия наука о наномасштабных системах сделала огромный шаг вперед, что позволило исследователям не только лучше понять фундаментальные физические процессы, но и применить эти знания на практике. Такие достижения включают создание новых типов материалов с уникальными оптическими свойствами, разработку миниатюризированных устройств и систем, способных существенно увеличить скорость обработки информации и повысить точность медицинских технологий.

В текущий момент времени нанофотоника привлекает внимание не только научного сообщества, но и представителей промышленности и бизнеса. Это обусловлено её широкими возможностями применения, начиная от оптических компьютеров и заканчивая биомедицинскими сенсорами. Например, достижение в области плазмоники позволяет создавать сверхчувствительные детекторы для диагностики заболеваний, что напрямую влияет на качество и продолжительность жизни людей.

Цель данного реферата заключается в подробном рассмотрении основ нанофотоники, её областей применения и примеров устройств, разработанных на её основе. Для достижения данной цели ставятся следующие задачи:

Исследовать физические основы и ключевые принципы нанофотоники.

Рассмотреть материалы, используемые в нанофотонике, и их свойства.

Проанализировать основные сферы применения нанофотоники, выделяя наиболее перспективные области.

Привести примеры существующих устройств на основе нанофотоники, объясняя их работу и преимущества.

Для написания реферата использовались различные источники информации, включая научные статьи, книги, рецензируемые журналы и материалы международных конференций. Особое внимание было уделено новейшим исследованиям в области нанофотоники, что позволило включить в работу самые актуальные данные и примеры. Информация анализировалась и систематизировалась для обеспечения логичной и структурированной подачи материала.

2. Глава 1: Физические основы нанофотоники

   1. Определение и основной принцип нанофотоники

Нанофотоника, также известная как нанооптика, представляет собой область науки и техники, изучающую взаимодействие света с объектами и структурами, размеры которых находятся в нанометровом диапазоне (от 1 до 100 нанометров). В отличие от традиционной фотоники, которая оперирует с размерами, сравнимыми с длинами волн света (порядка сотен нанометров), нанофотоника сосредоточена на изучении явлений, происходящих при взаимодействии света с наноструктурами значительно меньших размеров.

Эти размеры нанообъектов и наноматериалов существенно влияют на их оптические свойства и позволяют добиваться эффектов, которые не могут быть достигнуты в макроскопических масштабах. Нанофотоника охватывает широкий спектр изучения, включая квантовые точки, наночастицы, нанопроволоки, метаматериалы и фотонные кристаллы.

Основной принцип нанофотоники заключается в контроле и манипулировании светом на нанометровых масштабах, что позволяет изменять его распространение, поглощение и излучение. Этот принцип базируется на ряде фундаментальных физико-оптических явлений и эффектов:

• Электромагнитное взаимодействие на наноуровне.

Резонансы локализованных поверхностных плазмонов (ЛПП). В нанофотонике существенную роль играют металлы, обладающие способностью возбуждать коллекционные колебания свободных электронов при взаимодействии со светом. Это явление, известное как локализованные поверхностные плазмоны, позволяет создавать чрезвычайно сильные локальные электромагнитные поля на поверхности наночастиц.

Оптические антенны. Наноструктуры могут действовать как антенны для света, захватывая и усиливая световые волны. Это позволяет значительно улучшить чувствительность и разрешение оптических сенсоров и других устройств.

• Квантово-механические эффекты:

Квантовые точки. Эти наночастицы имеют дискретные энергетические уровни, что приводит к уникальным оптическим свойствам, таким как фотолюминесценция с изменяемой длиной волны. Квантовые точки находят применение в биоинженерии, солнечных элементах и дисплеях.

Конфинемент электрона. В наноструктурах размеры сравнимы с длинами волн электронных функций, что приводит к квантовому конфайнменту, изменению электронных свойств материалов и появлению новых оптических характеристик.

• Фотонная плотность состояний:

Фотонные кристаллы. Эти периодически структурированные материалы могут влиять на распространение света, создавая запрещенные зоны (band gaps) для фотонов. Это позволяет контролировать и направлять свет с высокой степенью точности.

Метаматериалы. Искусственно созданные структуры с уникальными электромагнитными свойствами, которые не встречаются в природе, позволяют манипулировать светом, например, создать материалы с отрицательным показателем преломления.

Применение нанофотоники

Нанофотоника открывает путь к разработке и улучшению многих технологических решений:

• Ультрачувствительных биосенсоров для медицинской диагностики;

• Высокоскоростных и энергоэффективных оптических коммутационных устройств;

• Наноразмерных лазеров и детекторов;

• Фотовольтаики нового поколения с повышенной эффективностью.

Таким образом, нанофотоника объединяет традиционные оптические методы с новейшими достижениями в нанотехнологиях, обеспечивая новые подходы к контролю света и открывая возможности для развития инновационных приложений в различных областях науки и техники.