Plasmoniske keramiske materialer er nøglen til fremskridt inden for nanofotonik til ekstreme driftsforhold

Fremskridt med at udvikle nanofotoniske enheder, der er i stand til at modstå høje temperaturer og barske forhold til applikationer, herunder datalagring, sansning, sundhedspleje og energi vil afhænge af, at forskningssamfundet og industrien vedtager nye "plasmoniske keramiske" materialer, ifølge en kommentar i denne uge i tidsskriftet Videnskab .

I en lovende nanofotonisk tilgang - plasmonik - bruges skyer af elektroner kaldet overfladeplasmoner til at manipulere og kontrollere lys på nanometerskalaen. Plasmoniske enheder under udvikling er ofte afhængige af brugen af ​​metaller som guld og sølv, som ikke er praktiske til de fleste industrielle anvendelser, fordi de ikke er i stand til at modstå ekstrem opvarmning og andre barske forhold. De er heller ikke kompatible med den komplementære metal-oxid-halvleder (CMOS) fremstillingsproces, der bruges til at konstruere integrerede kredsløb.

Nu foreslår forskere brug af plasmonisk keramik som titaniumnitrid og zirconiumnitrid i stedet for guld og sølv.

"Vi har for nylig vist, at plasmonisk keramik tilbyder egenskaber, der ligner guld, men har fordele, som disse ædle metaller ikke har, " sagde Alexandra Boltasseva, en lektor i el- og computerteknik ved Purdue University.

Hun var medforfatter til en Perspectives-artikel i denne uge i Videnskab med Vladimir M. Shalaev, videnskabelig direktør for nanofotonik ved Purdues Birck Nanotechnology Center og en fremtrædende professor i elektro- og computerteknik.

Plasmoniske keramiske materialer er lovende for forskellige potentielle fremskridt, herunder langt tættere dataregistrering og lagring end nu muligt; sensorer, der er i stand til at modstå høje temperaturer til olie- og gasindustrien; nye typer af lysindsamlings- og affaldsenergigenvindingssystemer; elektroniske kredsløb, der udnytter lys til at behandle information; og kræftbehandling.

"Det kan kun være et par år, før vi har nogle enheder og nye funktionaliteter, der er muliggjort af plasmonics, " sagde Boltasseva.

Shalaev og Boltasseva dannede Nano-Meta Technologies Inc. i Purdue Research Park, og arbejder på at udvikle ny teknologi til dataoptagelse i computerharddiske baseret på varmeassisteret magnetisk optagelse, eller HAMR; termofotovoltaiske solceller, hvor et ultratyndt lag af plasmoniske "metamaterialer" kunne forbedre solcelleeffektiviteten; og en ny klinisk terapeutisk tilgang ved hjælp af nanopartikler til kræftbehandling.

HAMR kunne gøre det muligt at optage data i en hidtil uset lille skala ved hjælp af "nanoantenner" og øge mængden af ​​data, der kan lagres på en standard magnetisk disk med 10 til 100 gange, sagde Shalaev.

I kræftbehandling, nanopartikler sprøjtes ind i blodbanen og aggregerer omkring tumorer. Når de udsættes for en lyskilde, de varmer op, dræber kræftceller. Imidlertid, guldpartikler byder på en udfordring, fordi de skal formes til specifikke geometriske former såsom "nanoskaller, " ellers vil de ikke virke.

"Men med titaniumnitrid kan vi bruge simple og små partikler som nanosfærer, og de vil fungere lige så godt som de komplekse geometrier, der kræves for guld, " sagde Boltasseva.

Andre potentielle anvendelser omfatter bittesmå fotodetektorer og lysforbindelser og modulatorer, der er små nok til at passe på elektroniske chips.