En molekylær lyskontakt?... Bare tilsæt vand

En smule omstrejfende fugt under et eksperiment tippede videnskabsmænd om den mærkelige opførsel af et komplekst oxidmateriale, de studerede - og kastede lys over dets potentiale til at forbedre kemiske sensorer, databehandling og informationslagring. I nærvær af et vandmolekyle på overfladen, det lagdelte materiale udsender ultraviolet lys fra dets indre. Et team af forskere fra Drexel University, University of Pennsylvania, University of California i Berkeley, og Temple University offentliggjorde for nylig sin opdagelse af, at det er muligt at styre UV-lysproduktionen via en kemisk reaktion, der fungerer som at dreje på en lyskontakt.

Mens man studerede en prøve af lanthanaluminatfilm på en strontinumtitanatkrystal, holdet, ledet af Drexel College of Engineering Professor Jonathan E. Spanier, Andrew M. Rappe, fra Penn; Lane W. Martin, fra Berkeley og Temples Xiaoxing Xi, opdagede, at prøven begyndte at udsende intense niveauer af UV-lys. Omhyggelig gengivelse af de eksperimentelle forhold hjalp dem med at indse, at vandmolekyler kan spille en rolle i UV-lyset, der udsendes inde fra materialet.

"I skelsættende opdagelser, denne grænseflade mellem to elektriske isolatorer har vist sig at have en elektrisk ledende tilstand, en, der kan ændres af vand på overfladen af ​​lanthanaluminat, og udviser også superledende og ferromagnetisk orden, " sagde Spanier. "Men denne opdagelse er ret bemærkelsesværdig, fordi vi afslørede en kemisk reaktion på overfladen, der beder om udsendelse af lys fra grænsefladen indeni - og vi er i stand til at slukke og tænde den igen. Overraskende, vi kan også gøre det stærkere ved at øge afstanden mellem molekylerne og overfladen og den begravede grænseflade, ved at bruge tykkere film for eksempel."

Teammedlemmer fra Drexel, Berkeley og Temple henvendte sig til deres teorisamarbejdspartnere på holdet, ledet af Penn's Rappe og andre teoriforskere Fenggong Wang og Diomedes Saldana-Grego, for at hjælpe med at fortolke resultaterne.

"Dissociation af vandfragmenter på oxidoverfladen frigiver elektroner, der bevæger sig til den begravede grænseflade, udligning af ionladninger, " sagde Wang. "Dette sætter al lysemission på samme energi, giver den observerede skarpe fotoluminescens. "

Ifølge Rappe, dette er den første rapport om introduktionen af ​​molekyler til overfladen, der kontrollerer emission af lys-af enhver farve-fra en begravet fast-overflade-grænseflade.

"Mekanismen for et molekyle, der lander og reagerer, kaldet dissociativ kemisorption, som en måde at kontrollere indtræden og undertrykkelse af lys er ulig nogen anden tidligere rapporteret, "Sagde Saldana-Grego.

Holdet offentliggjorde for nylig sine resultater, i tidsskriftet American Chemical Society Nano bogstaver . Papiret, med titlen "Overfladekemisk omskiftelig ultraviolet luminescens fra grænseflade todimensionel elektrongas, " beskriver deres metode til at generere og kontrollere reversibel ultraviolet luminescens fra en todimensional elektrongasbaseret halvledergrænseflade. Dette er en proces, de studerede indgående gennem fysisk test af materialer produceret af samarbejdspartnere ved Cal og Temple, og via computersimuleringer af Rappe- og Spanier -grupperne.

"Vi formoder, at materialet kan bruges til simple enheder som transistorer og sensorer. Ved strategisk at placere molekyler på overfladen, UV -lyset kunne bruges til at videresende information - meget som computerhukommelsen bruger et magnetfelt til at skrive og omskrive sig selv, men med den betydelige fordel at gøre det uden en elektrisk strøm, " sagde Mohammad Islam, en assisterende professor fra State University of New York i Oswego, som var på Spaniers hold, da han var hos Drexel. "UV-feltets styrke varierer også med vandmolekylets nærhed, dette tyder på, at materialet også kunne være nyttigt til at påvise tilstedeværelsen af ​​kemiske midler."

Ifølge Spanier, der skal foretages betydeligt mere grundlæggende forskning, men denne opdagelse kan hjælpe forskere med at forstå, hvordan elektroner interagerer ved disse grænseflader, og grænserne for, hvordan de kan bruge overflademolekyler til at kontrollere lysemissionen.