Plasmoniske kæder fungerer som polymerer:Gentagende mønstre dikterer optiske egenskaber af nanopartikelarrays

(Phys.org) - Ny forskning ved Rice University, der søger at etablere referencepunkter mellem plasmoniske partikler og polymerer, kan føre til mindre computerchips, bedre antenner og forbedringer i optisk databehandling.

Materialeforskere drager fordel af stærke vekselvirkninger mellem kemikalier til at danne polymerer, der selv samles til mønstre og er grundlaget for ting, folk bruger hver dag. Alt lavet af plastik er et godt eksempel.

Nu, Risforskere har detaljeret lignende mønstre på den måde, at overfladeplasmoner - ladede "kvasipartikler", der flyder inden i metalliske partikler, når de exciteres af lys - påvirker hinanden i kæder af guldnanopartikler.

Resultaterne af arbejdet fra Stephan Links Rice lab, en assisterende professor i kemi og el- og computerteknik, vises online i tidsskriftet American Chemical Society Nano bogstaver .

Interaktioner mellem små ting har været meget i nyhederne på det seneste med opdagelsen af ​​tegn på Higgs-bosonen og omfattende diskussion om, hvordan de mest elementære partikler interagerer for at give universet sin form. Rice-holdet studerer nanopartikler, der er størrelsesordener større - dog stadig så små, at de kun kan ses med et elektronmikroskop - med det formål at forstå, hvordan de mere elementære elektromagnetiske partikler indeni opfører sig.

Dette er vigtigt for elektronikingeniører, der konstant leder efter måder at formindske størrelsen af ​​computerchips og andre enheder gennem stadigt mindre komponenter som bølgeledere. Nanopartiklers evne til at passere bølger, der kan tolkes som signaler, kan åbne døren til nye metoder til optisk databehandling. Arbejdet kan også bidrage til mere finjusterede antenner og sensorer.

Specifikt, forskerne ledte efter, hvordan plasmoner påvirker hinanden på tværs af små huller - så små som en nanometer - mellem guld-nanopartikler. Hovedforfatter Liane Slaughter, en ris kandidatstuderende, og hendes kolleger konstruerede kæder af 50 nanometer partikler i enkelte og dobbelte rækker, der efterlignede polymerers gentagne molekylære mønstre. De undersøgte derefter de stående superstrålende og subradiante signaler, der kollektivt blev opretholdt af de individuelle samlinger af nanopartikler. Sammensætningen af ​​kæden i form af nanopartikelstørrelser, former og positioner bestemmer frekvenserne af lys, de karakteristisk kan interagere med.

"I plasmonics, vi bruger individuelle nanopartikler som byggesten til at lave højere ordens strukturer, " sagde Link. "Her, vi tager koncepter kendt af polymerforskere for at analysere strukturerne af længere kæder af nanopartikler, som vi tror ligner polymerer."

"Den grundlæggende definition af en polymer er, at det er et langt molekyle, hvis egenskaber afhænger af gentagelsesenheden, " sagde Slaughter. "Hvis du ændrer atomerne, der gentager sig i kæden, så ændrer du polymerens egenskaber."

"Det, vi ændrede i vores samlingsstrukturer, var gentagelsesenheden - en enkelt partikelrække versus en dimer (i den dobbelte række) - og vi fandt ud af, at dette passede til analogien med kemiske polymerer, fordi den ændring meget tydeligt ændrer interaktionerne langs kæden, " Link tilføjet.

Denne grundlæggende strukturændring fra en enkelt række til en dobbelt række førte til udtalte forskelle demonstreret af yderligere subradiant-tilstande og en lavere energi super-radiant-tilstand.

To yderligere interessante effekter syntes at være universelle blandt holdets plasmoniske polymerer. Den ene var, at energien fra den superstrålende tilstand, som er resultatet af interaktionen over de fleste gentagelsesenheder, ville typisk falde med tilføjelsen af ​​nanopartikler langs længden, op til omkring 10 partikler, og derefter udjævne. "Når du har 10 gentagelsesenheder, you basically see an optical spectrum that will not change very much if you make a chain with 20 or 50 repeat units, " sagde Link.

The other was that disorder among the repeat units – the nanoparticles – only seems to matter at the small scale. "With chemically prepared nanoparticles, there's always a distribution of sizes and perhaps shapes, " Link said. "As you bring them close together, they couple really strongly, and that's a big advantage. Men samtidig, we can never make structures that are perfect.

"So we wanted to understand the effect of disorder, and what we found was pretty amazing:As the system grows in size, the effect of disorder is less and less important on the optical properties. That also has a strong analogy in polymers, in which disorder can be seen as chemical defects, " han sagde.

"If the plasmonic interactions over the chain tolerate disorder, it gives promise to designing functional structures more economically and maybe with higher throughput, " Slaughter said. "With a whole bunch of small building blocks, even if they're not all perfectly alike, you can make a great variety of shapes and structures with broad tunability."