Frekvenskonvertering af lys i en lille skala via guld nanostruktur indeholdende minimale huller

Opstilling af guldnanopartikler i smalle skyttegrave skåret ind i et guldsubstrat har gjort det muligt for A*STAR-forskere i høj grad at forbedre en optisk effekt, der fordobler frekvensen af ​​indfaldende lys1. Denne tilgang kunne hjælpe med at producere miniature 'on-chip' enheder, der konverterer lysets frekvens.

Nanopartikler af metaller, såsom guld, fungere som miniatureantenner til lys, koncentrerer det elektromagnetiske felt af indfaldende lys. Denne feltintensivering kunne udnyttes til at øge ikke-lineære optiske effekter, som kun forekommer i meget stærke marker.

En sådan ikke-lineær effekt er anden harmonisk generation (SHG), hvor to indkommende fotoner med samme frekvens kombineres til en foton med to gange frekvensen. Symmetri overvejelser, imidlertid, forhindre SHG i at forekomme inde i en guldstruktur; det kan kun forekomme på en guldoverflade. Denne begrænsning har tidligere forhindret brugen af ​​guldnanopartikler til SHG.

Nu, Joel Yang og Zhaogang Dong fra A*STAR Institute of Materials Research and Engineering og kolleger har løst dette problem ved at producere guldstrukturer, hvor cirka 8-nanometer-diameter guld nanopartikler belagt med en organisk forbindelse presses til 12-nanometer- brede skyttegrave. Dette skaber huller omkring to nanometer brede på hver side af nanopartiklerne (se billede). Disse små huller har en dobbelt funktion - både at booste feltforstærkningen af ​​nanopartiklerne og øge lysets interaktion med guldoverfladen.

Forbedringen er fantastisk. Kombinationen af ​​disse to effekter øger SHG med mere end 4, 000 gange sammenlignet med, når de samme guldnanopartikler er pakket på et fladt guldsubstrat. "Denne forbedring af SHG er en af ​​de højeste nogensinde rapporteret, "bemærker Yang.

Holdet producerer strukturerne i to faser; de brugte en 'top-down' litografi proces til at oprette skyttegravene og derefter 'bottom-up' selvsamling for at tabe nanopartiklerne ned i skyttegravene. Vigtigt, begge processer er skalerbare, således at strukturerne potentielt kunne fremstilles i en kommercielt levedygtig skala.

Mens konventionelle ikke-lineære krystaller, der udfører SHG i deres indre, stadig har højere konverteringseffektivitet, den lille størrelse af nanostrukturerne gør dem meget attraktive til at realisere SHG i meget små skalaer, herunder enheder, der kan integreres i chips. Yang bemærker, at der er meget plads til optimering. "Der er masser af plads til forbedringer, især for at opnå SHG i et miniaturiseret format, " han siger.

Forskerne udforsker brugen af ​​andre materialer for at opnå endnu højere SHG-forbedringer. De er også i kontakt med en Singapore-baseret virksomhed med henblik på at kommercialisere teknikken i fremtiden.