Et gennembrud inden for forskning i chiral polymer tyndfilm kunne muliggøre en ny generation af enheder

De 10, 000. papir udgivet af Diamond Light Source kunne fundamentalt ændre teknologilandskabet ved at muliggøre en ny generation af enheder. Denne undersøgelse præsenterer en ny måde at se på chiralitet i tynde polymerfilm, der er vigtige for elektronik. Det præsenterer forstyrrende indsigt i chirale polymerfilm, som udsender og absorberer cirkulært polariseret lys, og giver løftet om at opnå vigtige teknologiske fremskridt, inklusive højtydende skærme, 3-D billeddannelse og kvanteberegning. Disse resultater blev offentliggjort for nylig i Naturkommunikation .

Kiralitet er en grundlæggende symmetriegenskab i universet. Vi ser venstrehåndede (LH) og højrehåndede (RH) spejlbilleder i alt fra snegle og små molekyler til kæmpe spiralgalakser. Lys kan også have chiralitet. Mens lyset rejser, dets indre elektriske felt kan rotere til venstre eller højre og skabe LH eller RH cirkulær polarisering. Evnen til at kontrollere og manipulere denne chirale, cirkulært polariseret lys giver muligheder i næste generation af optoelektronik (figur 1a og 1b). Imidlertid, oprindelsen af ​​de store chiroptiske effekter i tynde polymerfilm (figur 1c og 2) har været uhåndgribelig i næsten tre årtier. I dette studie, en gruppe forskere fra Imperial College London, University of Nottingham, universitetet i Barcelona, Diamond Light Source og J.A. Woollam Company gjorde brug af Diamonds Synchrotron Radiation Circular Dichroism beamline (B23) og Advanced Light Source i Californien.

"Denne gennembrudsundersøgelse viser, hvordan Diamonds evner kan bruges til at studere processer, der normalt forekommer langt uden for vores rækkevidde. Holdets resultater præsenterer en køreplan for at introducere kirotiske egenskaber i flere elektroniske enheder i fremtiden, " siger professor Laurent Chapon, direktør for fysisk videnskab hos Diamond.

Cirkulær dikroisme (CD) har en overraskende lang historie. I det 19. århundrede, Franske videnskabsmænd observerede, at chirale molekyler, der ikke overlejrer deres spejlbillede, absorberer venstre og højre cirkulært polariseret lys forskelligt afhængigt af deres konfiguration (som for L- eller D-aminosyrer) og også deres struktur. I 1960'erne, videnskabsmænd havde indset, at CD kunne være yderst nyttig til studiet af indviklede materialestrukturer. Diamonds B23-strålelinje er dedikeret til CD og genererer en unik højkollimeret monokromatisk mikrostråle fra vakuum ultraviolet (UV) til synligt lys.

Til denne undersøgelse, forskerholdet kombinerede ultraviolette CD-studier ved Diamond med resonant carbon K-kant blød røntgenspredningsmålinger ved Advanced Light Source.

"Ved at bruge en kombination af spektroskopiske metoder og strukturelle sonder, forskerne stillede spørgsmålstegn ved gyldigheden af ​​hidtil datafortolkning af disse polymerfilm, " forklarer professor Giuliano Siligardi, hovedstrålelinjeforsker på Diamonds B23-strålelinje.

Det var tidligere antaget, at de store chiroptiske effekter set i disse polymerfilm var forårsaget af strukturel chiralitet som den der ses i kolesterisk flydende krystallinsk fase. Imidlertid, denne undersøgelse viser, at under forhold, der er relevante for enhedsfremstilling, er de i stedet forårsaget af magneto-elektrisk kobling, der genererer den naturlige optiske aktivitet af disse polymerer.

Dr. Jessica Wade, hovedforfatter af papiret, siger, "Denne undersøgelse præsenterer en ny måde at se på chiralitet i tynde polymerfilm, hvilket er vigtigt for elektronik. Opdagelsen af, at magneto-elektrisk kobling - og ikke den længere rækkevidde strukturelle chiralitet - er ansvarlig for de store kirotiske effekter, vil tillade det rationelle design af polymerer til en bred vifte af enhedsapplikationer."

Alle eksperimenterne blev udført under forhold, der er relevante for anvendelser i den virkelige verden, med aktive lagtykkelser ( <200 nm), der muliggør produktion af højeffektiv elektronik.

"Vores resultater vil informere designet af nye polymerer og enhedsarkitekturer, hvor kemisk struktur og rygradskonformation er blevet optimeret for at maksimere magneto-elektrisk kobling, giver mulighed for stærke chiroptiske effekter uden behov for justering og for tykke aktive lag. Fremstillingsprotokollerne optimeret til B23-udglødningstid, temperatur (fig. 2), osv. — har allerede resulteret i realiseringen af ​​højeffektive displays og fotodetektorer, og vi fortsætter med at undersøge disse systemer med den nye Diamond B23 Mueller Matrix Polarimeter (MMP) funktionalitet."

Professor Sir David Stuart, direktør for life science ved Diamond og fælles leder af strukturel biologi ved University of Oxford, siger, "Som en af ​​de mest avancerede videnskabelige faciliteter i verden, Diamond stræber efter at muliggøre verdensforandrende videnskab hver dag. En vigtig del af vores mission er at hjælpe med udgivelsen af ​​papirer og resultaterne af de eksperimenter, der er udført her, til det offentlige domæne. Denne innovative 10, 000. publikation eksemplificerer vigtigheden af ​​internationalt samarbejde mellem videnskab og faciliteter samt de vitale forbindelser mellem grundforskning, anvendt videnskab og de teknologier, der bringer menneskeheden fremad."