Regelmæssige arrays af siliciumnanopartikler nøglen til at forbedre lysemissioner i nanofotoniske enheder

Nanofotonik overvejer, hvordan lys og stof på nanoskala interagerer med hinanden, med fund på området, der er vigtige for nanofabrikationsteknikker og i fremtidige fotoniske enheder. Indtil for nylig, metalliske nanopartikler er overvejende blevet brugt i nanofotoniske enheder. Men nu til dags, halvledermaterialer såsom silicium overvejes til nanopartiklerne.

Forskere fra Eindhoven University of Technology (TU/e) og University of Kyoto har offentliggjort to nøgleartikler i forhold til nanofotoniske konfigurationer baseret på silicium. For at markere den internationale lysdag 2020, et papir, offentliggjort i tidsskriftet ACS Fotonik , er blevet udvalgt som en af ​​de bedste artikler inden for fotonik i løbet af det seneste år.

Området for nanofotonik overvejer interaktionen mellem nanopartikler og lys, når nanopartikelstørrelsen er omtrent den samme som lysets bølgelængde. Kontrol af denne såkaldte resonansrespons kan have positive konsekvenser for udvikling af nye nanofabrikationsteknikker og for praktiske anvendelser såsom forbedring af effektiviteten af ​​solceller og lysdioder og fotodetektorfølsomhed.

Fokus flyttet til silicium

Historisk set, nanofotoniksamfundet brugte metalliske nanopartikler, hvor frie ladninger i partiklerne svinger efter interaktion med det elektriske felt i den indkommende elektromagnetiske bølge (lys). I de seneste år, fokus er flyttet til nanopartikler fremstillet af halvledermaterialer, såsom silicium, hvor lyset interagerer med elektroner bundet til atomet, i modsætning til gratis afgifter. Hvad angår metalliske nanopartikler, interaktioner mellem lys- og halvledernanopartikler kan manifestere et oscillerende eller resonansrespons.

Forskere ved Institut for Fotonisk Integration (IPI) og Institut for Anvendt Fysik ledet af Prof. Jaime Gómez Rivas, i samarbejde med University of Kyoto, undersøger aktivt brugen af ​​halvledernanostruktur til nanofotonik. For nylig, de offentliggjorde to nøgleresultater i tidsskrifterne Avancerede optiske materialer og ACS Fotonik .

Stærk kobling mellem organiske materialer og siliciumnanopartikler

En ny forskningsvej vedrører det stærke koblingsregime, hvor vekselvirkninger mellem lys og nanopartikelmaterialerne er stærke nok til at ændre materialets grundlæggende egenskaber. Faktisk, en hybridisering opstår, hvor stof antager nogle lysegenskaber og lyset påtager sig nogle af stofegenskaberne. Når organiske materialer anvendes i optoelektroniske enheder, et nøglespørgsmål er nedbrydningen af ​​materialerne, når de er belyst, og den korte afstand, som ladninger kan forplante sig over. Stærk kobling ville bidrage til at begrænse disse negative virkninger.

I deres første papir, som er udgivet i ACS Fotonik , Gabriel Castellanos og kolleger opnåede en stærk kobling for både elektriske og magnetiske svingninger mellem organiske materialer og arrays af polykrystallinske siliciumnanopartikler. Dette fund baner vejen for brugen af ​​siliciumbaserede materialer i optoelektroniske organiske enheder, hvilket kan føre til øget ydeevne. For at markere den internationale lysdag (16. maj 2020), denne artikel er udvalgt af tidsskriftet ACS Fotonik , som er udgivet af American Chemical Society, som en af ​​de 24 mest relevante artikler inden for fotonik mellem maj 2019 og maj 2020.

Forbedret lysudsendelse

I det andet papir, Shunsuke Murai og kolleger viste, at regelmæssige arrays af polykrystallinske siliciumnanopartikler (forskellige former og størrelser), der kobles til hinanden, kan isolere elektriske og magnetiske svingninger. Som resultat, når farvestofmolekyler er tæt på arrays, stærkere kobling mellem farvestofmolekylerne og siliciumnanopartikelarrays resulterer i øget emission af lys fra molekylerne. For eksempel, en 20-dobbelt forbedring observeres i visse retninger, når den kobles til det elektriske felt af nanopartikelarrays, mens en femdobbelt forbedring resulterer, når der er kobling med magnetfeltet. Dette kan have betydning for designet af fremtidige lysdioder.