Inducerede elektriske felter i Rice University computermodeller af aluminium nanomatryushkas viser, at ved lave afstande (venstre), ladningsoverførslen mellem kernen og skallen er så stor, systemet opfører sig i det væsentlige som en solid sfære. Ved større afstande (center og højre), kernen og skallen viser stærkere individuelle plasmoniske effekter. Skalalinjen viser styrken af det inducerede felt divideret med den indkommende feltstyrke. Kredit:Vikram Kulkarni/Rice University
(Phys.org) — Ydmygt aluminiums plasmoniske egenskaber kan gøre det langt mere værdifuldt end guld og sølv til visse anvendelser, ifølge ny forskning fra Rice University-forskere.
Fordi aluminium, som nanopartikler eller nanostrukturer, viser optiske resonanser over et meget bredere område af spektret end enten guld eller sølv, det kan være en god kandidat til at høste solenergi og til andre optiske enheder og materialer med stort område, som ville være for dyre at fremstille med ædel- eller møntmetaller.
Indtil for nylig, aluminium var endnu ikke blevet set som nyttigt til plasmoniske anvendelser af flere grunde:Det oxiderer naturligt, og nogle undersøgelser har vist dramatiske uoverensstemmelser mellem den resonans "farve" af fremstillet nanostruktureret aluminium og teoretiske forudsigelser.
Det kombinerede arbejde fra to Rice-laboratorier har adresseret hver af disse forhindringer i et par nye publikationer.
Et papir fra laboratoriet af risforskerne Naomi Halas og Peter Nordlander, "Aluminium til Plasmonics, " demonstrerer, at farven på aluminiumsnanopartikler ikke kun afhænger af deres størrelse og form, men også kritisk på deres oxidindhold. De har vist, at faktisk, farven på en aluminiumsnanopartikel giver direkte bevis for mængden af oxidation af selve aluminiumsmaterialet. Artiklen vises i tidsskriftet American Chemical Society (ACS). ACS Nano .
Fremstilling af rene aluminium nanopartikler har været en vejblokering i deres udvikling til plasmonics, men Halas-laboratoriet skabte en række skiveformede partikler fra 70 til 180 nanometer i diameter for at teste deres egenskaber. Forskerne fandt ud af, at mens guld-nanopartiklers plasmoner resonerer i synlige bølgelængder fra 550 til 700 nanometer og sølv fra 350 til 700, aluminium kan nå ind i det ultraviolette, til omkring 200 nanometer.
Når en elektromagnetisk bølge (venstre) rammer en nanomatryushka (midt og højre) - en solid kerne inde i en hul skal - bestemmer størrelsen af mellemrummet styrken af den plasmoniske respons. Hvis mellemrummet er tilstrækkeligt lille, kvantetunnel gennem hullet tillader plasmoner at resonere, som om kernen og skallen er en enkelt partikel, dramatisk ændre deres reaktion. Kredit:Vikram Kulkarni/Rice University
Laboratorierne karakteriserede også den svækkende virkning af naturligt forekommende, men selvpassiverende oxidation på aluminiumsoverflader. "For jern, rust går lige igennem, " sagde Nordlander. "Men for rent aluminium, oxidet er så hårdt og uigennemtrængeligt, at når du først danner et tre-nanometer-ark af oxid, processen stopper." For at bevise det, forskerne efterlod deres diske udsat for fri luft i tre uger, før de testede igen og fandt deres respons uændret.
"Grunden til, at vi bruger guld og sølv i nanovidenskab er, at de ikke oxiderer. Men endelig, med aluminium, naturen har givet os noget, vi kan udnytte, sagde Nordlander.
Den anden artikel af Nordlander og hans gruppe forudsiger kvanteeffekter i plasmonisk aluminium, der er stærkere end dem i en analog guldstruktur, når de er i form af en nanomatryushka, flerlags nanopartikler opkaldt efter de berømte russiske rededukker. Nordlander opdagede, at de kvantemekaniske effekter i disse materialer er stærkt forbundet med størrelsen af mellemrummet mellem skallen og kernen. Papiret udkom for nylig i ACS-journalen Nano bogstaver .
"Ud over at være et billigt og tunbart materiale, det udviser kvantemekaniske effekter i større omfang, mere tilgængelige og mere præcise intervaller end guld eller sølv, " sagde Nordlander. "Vi ser det her som et grundlæggende papir."
Nordlander brugte computersimuleringer til at undersøge uoverensstemmelserne mellem klassisk elektromagnetik og kvantemekanik, og netop hvor de to teorier divergerer i både guld og aluminium nanomatryushkas. "Aluminium udviser meget mere kvanteadfærd ved en given spaltestørrelse end guld, " sagde han. "Grundlæggende til meget små huller, alt er i kvanteriget (hvor subatomare kræfter hersker), men når du gør afstanden større, systemet vender sig til klassisk fysik."
Ved små, Nordlander betyder et godt stykke under en enkelt nanometer (en milliardtedel af en meter). Med mellemrummet mellem kerne og skal i en guld nanomatryushka på omkring en halv nanometer, han og hovedforfatteren Vikram Kulkarni, en ris kandidatstuderende, fundet elektroner opnået evnen til at tunnelere fra et lag til et andet i nanopartikler. Et 50 procent større hul i aluminium muliggjorde den samme kvanteeffekt. I begge tilfælde kvantetunnel gennem hullet tillod plasmoner at resonere, som om kernen og skallen var en enkelt partikel, dramatisk forbedre deres respons.
Beregningerne burde være af stor interesse for dem, der bruger nanopartikler som prober i Raman-spektroskopi, hvor kvantetunnelering mellem partikler kan dæmpe elektriske felter og afbryde klassiske beregninger, han sagde.
Nordlander bemærkede, at Kulkarnis algoritme tillod holdet at køre en af de største kvanteplasmoniske beregninger, der nogensinde er udført. De brugte kraften fra Rice's BlueBioU supercomputer til at spore et enormt antal elektroner. "Det er nemt at holde styr på to børn, men tænk hvis du havde mere end en million, " han sagde.
Hovedforfatterne af "Aluminium for Plasmonics" er Rice-kandidatstuderende Mark Knight og Nicholas King. Medforfattere inkluderer kandidatstuderende Lifei Liu og Henry Everitt, en chefforsker ved den amerikanske hærs Charles Bowden Research Lab, Redstone Arsenal, Ala., og en adjungeret professor ved Duke University. Forskningen blev støttet af Robert A. Welch Foundation, det nationale sikkerhedsvidenskabelige og tekniske fakultetsstipendium, luftvåbnets kontor for videnskabelig forskning, National Science Foundations store forskningsinstrumenteringsprogram, Hærens interne laboratorie-uafhængige forskningsprogram og Hærens Forskningskontor.
Ris-alumne Emil Prodan, en assisterende professor i fysik ved Yeshiva University, New York, er medforfatter til "Quantum Plasmonics:Optical Properties of a Nanomatryushka."