Nyt barn på plasmonisk blok

Med sit løfte om superhurtige computere og ultrakraftige optiske mikroskoper blandt de mange muligheder, plasmonics er blevet et af de hotteste områder inden for højteknologi. Imidlertid, til dato har plasmoniske egenskaber været begrænset til nanostrukturer, der har grænseflader mellem ædelmetaller og dielektrikum. Nu, forskere fra det amerikanske energiministerium (DOE) Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har vist, at plasmoniske egenskaber også kan opnås i de halvleder-nanokrystaller kendt som kvanteprikker. Denne opdagelse skulle gøre området for plasmonics endnu varmere.

"Vi har påvist veldefinerede lokaliserede overfladeplasmonresonanser, der stammer fra p-type bærere i ledige doterede halvlederkvanteprikker, der skulle give mulighed for plasmonisk sensing og manipulation af faststofprocesser i enkelte nanokrystaller, " siger Berkeley Lab-direktør Paul Alivisatos, en nanokemisk autoritet, der ledede denne forskning. "Vores doterede halvlederkvanteprikker åbner også muligheden for en stærk kobling af fotoniske og elektroniske egenskaber, med implikationer for let høst, ikke-lineær optik, og kvanteinformationsbehandling."

Alivisatos er den tilsvarende forfatter til et papir i tidsskriftet Naturmaterialer med titlen "Lokaliserede overfladeplasmonresonanser, der opstår fra frie bærere i doterede kvanteprikker." Medforfattere til avisen var Joseph Luther og Prashant Jain, sammen med Trevor Ewers.

Udtrykket "plasmonics" beskriver et fænomen, hvor indespærring af lys i dimensioner, der er mindre end bølgelængden af ​​fotoner i det frie rum, gør det muligt at matche de forskellige længdeskalaer, der er forbundet med fotonik og elektronik i en enkelt enhed i nanoskala. Forskere mener, at det gennem plasmonics burde være muligt at designe computerchipforbindelser, der er i stand til at flytte meget større mængder data meget hurtigere end nutidens chips. Det skulle også være muligt at lave mikroskoplinser, der kan opløse objekter i nanoskala med synligt lys, en ny generation af højeffektive lysemitterende dioder, og superfølsomme kemiske og biologiske detektorer. Der er endda beviser på, at plasmoniske materialer kan bruges til at bøje lys omkring en genstand, derved gør objektet usynligt.

Det plasmoniske fænomen blev opdaget i nanostrukturer ved grænsefladerne mellem et ædelmetal, såsom guld eller sølv, og et dielektrisk, såsom luft eller glas. At rette et elektromagnetisk felt mod en sådan grænseflade genererer elektroniske overfladebølger, der ruller gennem ledningselektronerne på et metal, som krusninger, der breder sig over overfladen af ​​en dam, der er blevet stukket ned med en sten. Ligesom energien i et elektromagnetisk felt bæres i en kvantiseret partikellignende enhed kaldet en foton, energien i en sådan elektronisk overfladebølge føres i en kvantiseret partikellignende enhed kaldet en plasmon. Nøglen til plasmoniske egenskaber er, når oscillationsfrekvensen mellem plasmonerne og de indfaldende fotoner matcher, et fænomen kendt som lokaliseret overfladeplasmonresonans (LSPR). Konventionel videnskabelig visdom har fastslået, at LSPR'er kræver en metal nanostruktur, hvor ledningselektronerne ikke er stærkt knyttet til individuelle atomer eller molekyler. Dette har vist sig ikke at være tilfældet, da Prashant Jain, et medlem af Alivisatos forskningsgruppe og en af ​​hovedforfatterne af Nature Materials papiret, forklarer.

"Vores undersøgelse repræsenterer et paradigmeskift fra metal nanoplasmonics, da vi har vist, at i princippet, enhver nanostruktur kan udvise LSPR'er, så længe grænsefladen har et betydeligt antal gratis afgiftsbærere, enten elektroner eller huller, " siger Jain. "Ved at demonstrere LSPR'er i dopede kvanteprikker, vi har udvidet rækken af ​​kandidatmaterialer til plasmonik til at omfatte halvledere, og vi har også slået feltet for plasmoniske nanostrukturer sammen, som udviser afstembare fotoniske egenskaber, med feltet af kvanteprikker, som udviser afstembare elektroniske egenskaber."

Jain og hans medforfattere lavede deres kvanteprikker fra halvlederen kobbersulfid, et materiale, der er kendt for at understøtte talrige kobber-mangelfulde støkiometrier. I første omgang, kobbersulfid nanokrystallerne blev syntetiseret ved hjælp af en almindelig varm injektionsmetode. Mens dette gav nanokrystaller, der i sig selv var doterede med p-type ladningsbærere, der var ingen kontrol over mængden af ​​ledige stillinger eller transportører.

"Vi var i stand til at overvinde denne begrænsning ved at bruge en stuetemperatur-ionbyttermetode til at syntetisere kobbersulfid-nanokrystallerne, " siger Jain. "Dette fryser nanokrystallerne til en relativt ledig tilstand, som vi så kan dope på en kontrolleret måde ved hjælp af almindelige kemiske oxidanter."

Ved at indføre nok gratis elektriske ladningsbærere via dopingmidler og ledige stillinger, Jain og hans kolleger var i stand til at opnå LSPR'er i det nær-infrarøde område af det elektromagnetiske spektrum. Udvidelsen af ​​plasmonics til at omfatte halvledere såvel som metaller giver en række væsentlige fordele, som Jain forklarer.

"I modsætning til et metal, koncentrationen af ​​frie ladningsbærere i en halvleder kan kontrolleres aktivt ved doping, temperatur, og/eller faseovergange, " siger han. "Derfor, hyppigheden og intensiteten af ​​LSPR'er i
dopbare kvanteprikker kan indstilles dynamisk. LSPR'erne af et metal, på den anden side, en gang konstrueret gennem et udvalg af nanostrukturparametre, såsom form og størrelse, er permanent låst ind."

Jain forestiller sig, at kvanteprikker skal integreres i en række fremtidige film- og chip-baserede fotoniske enheder, der aktivt kan skiftes eller kontrolleres, og også anvendes til sådanne optiske applikationer som in vivo billeddannelse. Ud over, den stærke kobling, der er mulig mellem fotoniske og elektroniske tilstande i sådanne doterede kvanteprikker, rummer spændende potentiale for anvendelser inden for solcelleanlæg og kunstig fotosyntese

"I fotovoltaiske og kunstige fotosyntetiske systemer, lys skal absorberes og kanaliseres for at generere energiske elektroner og huller, som så kan bruges til at lave elektricitet eller brændstof, " siger Jain. "For at være effektiv, det er yderst ønskeligt, at sådanne systemer udviser en forbedret interaktion mellem lys og excitoner. Dette er, hvad en dopet kvanteprik med en LSPR-tilstand kunne opnå."

Potentialet for stærkt koblede elektroniske og fotoniske tilstande i doterede kvanteprikker opstår fra det faktum, at halvlederkvanteprikker tillader kvantiserede elektroniske excitationer (excitoner), mens LSPR'er tjener til stærkt at lokalisere eller begrænse lys af specifikke frekvenser inden for kvanteprikken. Resultatet er en forbedret exciton-lys-interaktion. Da LSPR-frekvensen kan styres ved at ændre dopingniveauet, og excitoner kan tunes ved kvanteindeslutning, det burde være muligt at konstruere doterede kvanteprikker til at høste de rigeste lysfrekvenser i solspektret.

Quantum dot plasmonics rummer også spændende muligheder for fremtidig kvantekommunikation og beregningsenheder.

"Brugen af ​​enkelte fotoner, i form af kvantificerede plasmoner, ville tillade kvantesystemer at sende information med næsten lysets hastighed, sammenlignet med elektronhastigheden og modstanden i klassiske systemer, "Jain siger. "Doterede kvanteprikker ved at give stærkt koblede kvantiserede excitoner og LSPR'er og inden for den samme nanostruktur kunne tjene som en kilde til enkelte plasmoner."

Jain og andre i Alivsatos' forskningsgruppe undersøger nu potentialet i dopede kvanteprikker lavet af andre halvledere, såsom kobberselenid og germaniumtellurid, som også viser afstembare plasmoniske eller fotoniske resonanser. Germanium tellurid er af særlig interesse, fordi det har faseændringsegenskaber, der er nyttige til hukommelseslagringsenheder.

"Et langsigtet mål er at generalisere plasmoniske fænomener til alle dopede kvanteprikker, uanset om det er stærkt selvdoteret eller eksternt dopet med relativt få urenheder eller ledige stillinger, " siger Jain.