Forskere laver ultrafølsomme ledningsevnemålinger

Forskere ved Rice University har opdaget en ny måde at foretage ultrafølsomme ledningsevnemålinger ved optiske frekvenser på højhastigheds elektroniske komponenter i nanoskala.

Forskningen ved Rice's Laboratory for Nanophotonics (LANP) er beskrevet online i en ny undersøgelse i American Chemical Societys tidsskrift ACS Nano . I en række eksperimenter, LANP-forskere forbandt par af puckformede metalnanodiske med metalliske nanotråde og viste, hvordan strømmen af ​​strøm ved optiske frekvenser gennem nanotrådene producerede "ladningsoverførselsplasmoner" med unikke optiske signaturer.

"Skubningen for løbende at øge hastigheden af ​​mikrochipkomponenter har fået forskere til at se på nanoskalaenheder og komponenter, der opererer ved optiske frekvenser til næste generations elektronik, " sagde LANP-direktør Naomi Halas, den ledende videnskabsmand på undersøgelsen. "Det er ikke velkendt, hvordan disse materialer og komponenter fungerer ved ekstremt høje lysfrekvenser, og LANPs nye teknik giver en måde at måle de elektriske transportegenskaber af nanomaterialer og strukturer ved disse ekstremt høje frekvenser."

Halas er Rice's Stanley C. Moore professor i elektro- og computerteknik og professor i kemi, bioingeniør, fysik og astronomi, og materialevidenskab og nanoteknik. Hendes laboratorium har specialiseret sig i undersøgelsen af ​​nanopartikler, der interagerer med lys. For eksempel, nogle metalliske nanopartikler omdanner lys til plasmoner, bølger af elektroner, der flyder som en væske hen over partiklens overflade. I snesevis af undersøgelser gennem de sidste to årtier, LANP-forskere har udforsket den grundlæggende fysik i plasmonik og vist, hvordan plasmoniske interaktioner kan udnyttes til så forskellige applikationer som medicinsk diagnostik, kræftbehandling, solenergiindsamling og optisk databehandling.

En type plasmonisk interaktion, som Halas' team længe har studeret, er plasmonisk kobling, en slags interagerende dans, som plasmoner engagerer sig i, når to eller flere plasmoniske partikler er placeret i nærheden af ​​hinanden. For eksempel, når to puckformede plasmoniske nanodiske er placeret i nærheden af ​​hinanden, de opfører sig som en lille, lysaktiveret kondensator. Når en ledende ledning bruges til at bygge bro mellem de to, deres plasmonenergier ændrer sig og en ny resonans kaldet en "ladningsoverførselsplasmon", vises med en bestemt frekvens.

I den nye forskning, studie hovedforfatter Fangfang Wen, en ris kandidatstuderende ved LANP, undersøgte de optiske egenskaber af par af broforbundne nanodiske. Da hun skabte plasmoner i parrene, hun observerede ladningen flyde frem og tilbage langs ledningerne ved optiske frekvenser. Ved at undersøge ladningsoverførselsplasmonerne i disse par, hun opdagede, at den elektriske strøm, der flyder over krydset, introducerede en karakteristisk optisk signatur.

"I det tilfælde, hvor en ledende ledning var til stede i krydset, vi så en optisk signatur, der var meget forskellig fra sagen uden en ledning, Wen sagde. Wen satte derefter en række eksperimenter op, hvor hun varierede bredden og formen af ​​de brodannende nanotråde og gentog disse målinger for nanotråde af to forskellige metaller, guld og aluminium.

Disse eksperimenter afslørede to nøglefund. Først, i den lave ende af konduktansskalaen, hun fandt ud af, at selv de mindste ændringer i ledningsevnen resulterede i bemærkelsesværdige optiske skift - et fund, der kunne være særligt interessant for molekylær-elektronikforskere, der er interesserede i at måle ledningsevne i strukturer så små som et enkelt molekyle.

"Vi fandt også ud af, at vores platform gav en anden optisk signatur i tilfælde, hvor konduktansniveauet var det samme, men forbindelsesmaterialet var anderledes, " sagde Wen. "Hvis vi havde nanotråde med den samme ledningsevne, der var lavet af forskellige materialer, vi så en anden optisk signatur. Hvis vi brugte det samme materiale, med forskellige geometrier, vi så den samme signatur."

Denne specificitet og repeterbarhed kunne også være nyttig for forskere, der måske ønsker at bruge denne tilgang til at identificere ledningsevnen af ​​nanotråde, eller andre elektroniske komponenter i nanoskala, ved optiske frekvenser. "Den optiske frekvenskonduktans af de fleste materialer er ikke kendt, " sagde hun. "Dette giver en nyttig og praktisk metode til at måle denne egenskab.

"For at reducere størrelsen af ​​elektronik selv ud over nutidens grænser, forskere ønsker at studere elektronoverførsel gennem et enkelt molekyle, især ved ekstremt høje, selv optiske frekvenser, " sagde Wen. "Sådanne ændringer kan ikke måles ved hjælp af standard elektroniske enheder eller instrumenter, der fungerer ved mikrobølgefrekvenser. Vores forskning giver en ny platform til måling af nanoskala konduktans ved optiske frekvenser."

I erkendelse af forskningens potentiale til at forbedre "folks liv gennem kemiens transformerende kraft, " American Chemical Society gjorde avisen til et ACS Editors' Choice og gør det frit tilgængeligt for offentligheden online.