Nanoskala trækker bro mellem åbne veje til farvedisplays

En ny metode til at bygge "vindebroer" mellem metalnanopartikler kan give elektronikproducenter mulighed for at bygge fuldfarveskærme ved hjælp af lysspredende nanopartikler, der ligner de guldmaterialer, som middelalderlige håndværkere brugte til at skabe rødt farvet glas.

"Ville det ikke være interessant, hvis vi kunne skabe farvede glasvinduer, der skiftede farver ved at trykke på en kontakt?" sagde Christy Landes, lektor i kemi ved Rice og ledende forsker på en ny undersøgelse om vindebrometoden, der vises i denne uge i open-access tidsskriftet Videnskabens fremskridt .

Undersøgelsen foretaget af Landes og andre eksperter ved Rice University's Smalley-Curl Institute kunne give ingeniører mulighed for at bruge standard elektriske koblingsteknikker til at konstruere farvedisplays fra par nanopartikler, der spreder forskellige lysfarver.

I århundreder, farvede glasproducenter har udnyttet lysspredningsegenskaberne af små guld nanopartikler for at producere glas med rige røde toner. Lignende typer materialer kan i stigende grad finde anvendelse i moderne elektronik, efterhånden som producenter arbejder på at lave mindre, hurtigere og mere energieffektive komponenter, der fungerer ved optiske frekvenser.

Selvom metal nanopartikler spreder skarpt lys, forskere har fundet det svært at lokke dem til at producere dramatisk forskellige farver, sagde Landes.

Rice's nye vindebrometode til farveskift inkorporerer metalnanopartikler, der absorberer lysenergi og omdanner det til plasmoner, bølger af elektroner, der flyder som en væske hen over en partikels overflade. Hver plasmon spreder og absorberer en karakteristisk lysfrekvens, og endda mindre ændringer i den bølgelignende sloshing af et plasmonskift denne frekvens. Jo større ændring i plasmonisk frekvens, jo større forskel er der mellem de observerede farver.

"Ingeniører, der håber at lave en skærm af optisk aktive nanopartikler, skal være i stand til at skifte farve, " sagde Landes. "Den type skift har vist sig meget vanskelig at opnå med nanopartikler. Folk har opnået moderat succes ved at bruge forskellige plasmonkoblingsordninger i partikelsamlinger. Det, vi dog har vist, er variation af selve koblingsmekanismen, som kan bruges til at producere enorme farveændringer både hurtigt og reversibelt. "

For at demonstrere metoden, Landes og studie hovedforfatter Chad Byers, en kandidatstuderende i sit laboratorium, forankrede par guldnanopartikler til en glasoverflade dækket med indiumtinoxid (ITO), den samme leder, der bruges på mange smartphone -skærme. Ved at forsegle partiklerne i et kammer fyldt med en saltvandselektrolyt og en sølvelektrode, Byers og Landes var i stand til at danne en enhed med et komplet kredsløb. De viste derefter, at de kunne påføre en lille spænding til ITO'en for at galvanisere sølv på overfladen af ​​guldpartiklerne. I den proces, partiklerne blev først belagt med et tyndt lag sølvchlorid. Ved senere at påføre en negativ spænding, forskerne fik en ledende sølv "vindebro" til at danne. Ved at vende spændingen fik broen til at trække sig tilbage.

"Det fantastiske ved disse kemiske broer er, at vi kan skabe og eliminere dem blot ved at påføre eller vende en spænding, " sagde Landes. "Dette er den første metode, der endnu er demonstreret til at producere dramatiske, reversible farveændringer for enheder bygget af lysaktiverede nanopartikler."

Byers sagde, at hans forskning i gulddimerers plasmoniske adfærd begyndte for omkring to år siden.

"Vi forfulgte ideen om, at vi kunne foretage væsentlige ændringer i individuelle partiklers optiske egenskaber blot ved at ændre ladningstætheden, " sagde han. "Teori forudsiger, at farver kan ændres blot ved at tilføje eller fjerne elektroner, og vi ville se, om vi kunne gøre det reversibelt, simpelthen ved at tænde eller slukke en spænding. "

Eksperimenterne virkede. Farveskiftet blev observeret og reversibelt, men ændringen i farven var lille.

"Det ville ikke få nogen begejstret for nogen form for omskiftelige skærmapplikationer, " sagde Landes.

Men hun og Byers bemærkede også, at deres resultater afveg fra de teoretiske forudsigelser.

Landes sagde, at det var fordi forudsigelserne var baseret på at bruge en inert elektrode lavet af et metal som palladium, der ikke er genstand for oxidation. Men sølv er ikke inert. Det reagerer let med ilt i luft eller vand og danner et lag af uskøn sølvoxid. Dette oxiderende lag kan også dannes af sølvchlorid, og Landes sagde, at det var det, der skete, da sølvmodelektroden blev brugt i Byers 'første forsøg.

"Det var en ufuldkommenhed, der kastede vores resultater af sig, men hellere end at løbe væk fra det, vi besluttede at bruge det til vores fordel, " sagde Landes.

Rice plasmonics pioner og studie medforfatter Naomi Halas, direktør for Smalley-Curl Institute, sagde, at den nye forskning viser, hvordan plasmoniske komponenter kan bruges til at producere elektronisk omskiftelige farveskærme.

"Guld -nanopartikler er særligt attraktive til visningsformål, " sagde Halas, Rice's Stanley C. Moore professor i elektro- og computerteknik og professor i kemi, bioingeniør, fysik og astronomi, og materialevidenskab og nanoengineering. "Afhængig af deres form, de kan producere en række specifikke farver. De er også ekstremt stabile, og selvom guld er dyrt, meget lidt er nødvendigt for at producere en ekstremt lys farve."

Ved design, afprøvning og analyse af opfølgende eksperimenter på dimerer, Landes og Byers engagerede sig med en hjernetrust af Rice plasmonics-eksperter, der inkluderede Halas, fysiker og ingeniør Peter Nordlander, kemiker Stephan Link, materialeforsker Emilie Ringe og deres elever, samt Paul Mulvaney fra University of Melbourne i Australien.

Sammen, teamet bekræftede sammensætningen og afstanden mellem dimererne og viste, hvordan metalbroer kunne bruges til at fremkalde store farveforskydninger baseret på spændingsindgange.

Nordlander og Hui Zhang, de to teoretikere i gruppen, undersøgte enhedens "plasmoniske kobling, " den interagerende dans, som plasmoner engagerer sig i, når de er i tæt kontakt. F.eks. plasmoniske dimerer vides at fungere som lysaktiverede kondensatorer, og tidligere forskning har vist, at forbindelse af dimerer med nanotrådsbroer frembringer en ny resonanstilstand kendt som en "ladningsoverførselsplasmon, " som har sin egen distinkte optiske signatur.

"Den elektrokemiske brodannelse af mellempartikelgabet muliggør en fuldt reversibel overgang mellem to plasmoniske koblingsregimer, den ene kapacitiv og den anden ledende, " sagde Nordlander. "Skiftet mellem disse regimer er tydeligt fra den dynamiske udvikling af ladningsoverførselsplasmonen."

Halas sagde, at metoden giver plasmoniske forskere et værdifuldt værktøj til præcist at kontrollere hullerne mellem dimerer og andre multipartikel plasmoniske konfigurationer.

"I anvendt forstand, mellemrumskontrol er vigtig for udviklingen af ​​aktive plasmoniske enheder som switches og modulatorer, men det er også et vigtigt værktøj for grundlæggende videnskabsmænd, der udfører nysgerrighed-drevet forskning i det nye felt af kvanteplasmonik."