Nanodots lavet af fotovoltaisk materiale understøtter bølgeledertilstande

Antimonsulfid, eller stibnit (Sb ₂ S ₃ ), er blevet undersøgt intensivt i de senere år som et lovende materiale til giftfri, miljøvenlige solceller. Det er nu muligt at fremstille tynde fotovoltaiske film af en blæk, der indeholder nanopartikler af stibnit, og at nanomønstre disse film til 2-D og 3-D strukturer af stort set enhver form. Så enkelt, omkostningseffektive produktionsmetoder opfylder forudsætninger for pålidelige, udbredt brug.

Da stibnite er en effektiv halvleder (dvs. det har en høj absorptionskoefficient og bærermobilitet), dens nanostruktur lover som et fotoskiftbart materiale til optisk signalbehandling og databehandling. Petra Groß, forsker ved Institut for Fysik ved Universitetet i Oldenburg forklarer, "Belysning med nær-infrarødt lys, med bølgelængder, for hvilke stibnit stort set er transparent, kan resultere i en ultrahurtig ændring af dets brydningsindeks. Dette betyder, at en overflade mønstret med stibnit-nanopartikler kunne gøre det muligt at skifte optiske egenskaber som refleksion af farveudseende med en infrarød lyspuls."

Hvis stibnite nanostrukturer skal bruges i omskiftelige nanoenheder, høj optisk kvalitet er afgørende. En nylig undersøgelse offentliggjort i Avanceret fotonik undersøgte de optiske egenskaber af stibnit nanostrukturer. Undersøgelsen viste, at stibnite nanodots kan fungere som bølgeledere af høj optisk kvalitet. Dette fund, sammen med de nemme 2-D og 3-D struktureringsmuligheder og interessante optiske egenskaber, indikerer et stærkt potentiale for stibnite nanostrukturer som omskiftelige materialer til fremtidige applikationer.

Stibnite nanodots

Hovedforfatteren af ​​undersøgelsen, Jinxin Zhan, er i øjeblikket doktorand i Near-Field Photonics Laboratory af professor Christoph Lienau ved University of Oldenburg. Zhan forklarer, at elektronmikroskopbilleder af stibnite indikerer en ret ujævn overflade. Samarbejde med forskere ved University of Konstanz, Zhan og hendes team havde til formål at estimere de optiske egenskaber af stibnite nanostrukturen ved at undersøge stibnite nanodots (400-nm diameter) oven på en stibnite overflade.

Zhan siger, "En sådan optisk inspektion er vanskelig. Størrelsen af ​​nanostrukturerne er normalt mindre end bølgelængden af ​​synligt lys, sådan at spektroskopiske målinger typisk kun udføres på ensembler af flere nanostrukturer."

Nanopartikel fokus

For at opnå den vanskelige optiske inspektion, Zhan og hendes team udviklede en ny slags nærfeltsspektroskopi, der tillader optisk undersøgelse af enkelte nanopartikler. Det er baseret på scattering-type scanning nærfelt optisk mikroskopi (SOM), hvor en guldsonde med en skarp spids på omkring 10 nm krumningsradius bringes tæt på nanostrukturens overflade og scannes hen over den. Lyset, der spredes væk fra strukturen af ​​spidsen, opsamles af en detektor.

Zhan bemærker, "Som regel, der er en stor mængde baggrundslys til stede, som vi undertrykker ved at modulere spids-prøveafstanden og ved at blande det spredte lys med en bredbåndsreferencelaser. En monokromator udstyret med et fast line-kamera gør os i stand til at måle komplette spektre ved hver position, mens vi raster scanning." Den spektrale båndbredde er 200 nm, og den rumlige opløsning er omkring 20 nm, sådan at holdet kan studere de optiske egenskaber, eller spektralt opløste intensitetsprofiler, inden for individuelle nanodotter.

De resulterende kort over stibnit-nanopartiklerne afslørede, at de fungerer som et højt brydningsindeks, dielektriske bølgeledere, på trods af deres uregelmæssige overflade, som fremgår af strukturelle undersøgelser. Zhan forklarer yderligere, "Med vores nye metode, vi ser tilstandsprofiler på tværs af nanodotter, der minder meget om tilstandsprofilerne for guidede bølger i optiske glasfibre. En beregning viser, at en cylindrisk bølgeleder af stibnit med en diameter på 400 nm bør understøtte fire tilstande. En beregnet superposition af disse fire laveste-ordens tilstande matcher vores eksperimentelle observation meget godt. Disse tilstande understøttes over hele 200-nm-båndbredden af ​​vores nærfeltsspektroskopimåling."

Lienau bemærkede, at denne nye teknik tilbyder en helt ny måde at "se" små mængder af nanomaterialer på og åbner døren for at studere dynamikken i deres optiske excitationer på ultrahurtige tidsskalaer. Han siger, "Den spektroskopiske teknik udviklet af Jinxin Zhan og Petra Groß er usædvanligt lovende. Allerede nu, holdet har demonstreret lokal lysspredningsspektroskopi med dyb subbølgelængdeopløsning og høj følsomhed. Vi er overbeviste om, at vi hurtigt vil være i stand til at forbedre den rumlige opløsning yderligere til et område på få nanometer."