Plasmondrevne enheder til medicin, sikkerhed, solceller

En Rice University-professors metode til at "opkonvertere" lys kunne gøre solceller mere effektive og sygdomsmålrettede nanopartikler mere effektive.

Eksperimenter ledet af Gururaj Naik, en assisterende professor i elektro- og computerteknik, kombinerede plasmoniske metaller og halvledende kvantebrønde for at øge frekvensen af ​​lys, skifter farve.

I en nanoskala prototype udviklet Naik som postdoktor ved Stanford University, specialdesignede pyloner, der blev ramt af grønt lys, producerede et blåt skær med højere energi. "Jeg tager lavenergifotoner og konverterer dem til højenergifotoner, " han sagde.

Effektiv opkonvertering af lys kunne lade solceller omdanne ellers spildt infrarødt sollys til elektricitet eller hjælpe lysaktiverede nanopartikler med at behandle syge celler, sagde Naik.

Værket vises i American Chemical Society's Nano bogstaver .

Magien sker inde i små pyloner, der måler omkring 100 nanometer på tværs. Når ophidset af en bestemt bølgelængde af lys, pletter af guld på spidserne af pylonerne omdanner lysenergien til plasmoner, bølger af energi, der ryster rytmisk hen over guldoverfladen som krusninger på en dam. Plasmoner er kortlivede, og når de forfalder, de opgiver deres energi på en af ​​to måder; de udsender enten en foton af lys eller producerer varme ved at overføre deres energi til en enkelt elektron - en "varm" elektron.

Naiks arbejde på Stanford var inspireret af det banebrydende arbejde af professorerne Naomi Halas og Peter Nordlander ved Rice's Laboratory for Nanophotonics, som havde vist, at spændende plasmoniske materialer også exciterede "varme bærere" - elektroner og huller - indeni. (Elektronhuller er de ledige stillinger, der skabes, når en elektron exciteres til en højere tilstand, giver dets atom en positiv ladning.)

"Plasmonics er virkelig fantastisk til at presse lys på nanoskalaen, " sagde Naik, som kom til Rices fakultet for et år siden. "Men det kommer altid på bekostning af noget. Halas og Nordlander viste, at man kan udvinde de optiske tab i form af elektricitet. Min idé var at sætte dem tilbage til optisk form."

Han designede pyloner ved hjælp af alternative lag af galliumnitrid og indiumgalliumnitrid, der var toppet med et tyndt lag guld og omgivet af sølv. I stedet for at lade de varme bærere glide væk, Naiks strategi var at rette både varme elektroner og varme huller mod galliumnitrid- og indiumgalliumnitridbaserne, der tjener som elektronfangende kvantebrønde. Disse brønde har et iboende båndgab, der sekvestrerer elektroner og huller, indtil de rekombinerer ved tilstrækkelig energi til at springe mellemrummet og frigive fotoner ved en højere frekvens.

Nutidens opkonverterere, der bruges i on-chip kommunikation, fotodynamisk terapi, sikkerhed og datalagring har effektiviteter i området fra 5 til 10 procent, sagde Naik. Kvanteteori tilbyder en maksimal effektivitet på 50 procent ("fordi vi absorberer to fotoner for at udsende en") men, han sagde, 25 procent er et praktisk mål for hans metode.

Naik bemærkede, at hans enheder kan tunes ved at ændre størrelsen og formen af ​​partiklerne og tykkelsen af ​​lagene. "Upconverters baseret på lanthanider og organiske molekyler udsender og absorberer lys ved bestemte frekvenser, fordi de er fastsat af atom- eller molekylære energiniveauer, " sagde han. "Vi kan designe kvantebrønde og tune deres båndgab til at udsende fotoner i det frekvensområde, vi ønsker, og på samme måde designe metal nanostrukturer til at absorbere ved forskellige frekvenser. Det betyder, at vi kan designe absorption og emission næsten uafhængigt, hvilket ikke var muligt før."

Naik byggede og testede en proof-of-concept-prototype af pylon-arrayet, mens han arbejdede i Stanford-laboratoriet hos Jennifer Dionne efter at have været medforfatter til et teoretisk papir med hende, der satte scenen for eksperimenterne.

"Det er en solid-state enhed, " Naik sagde om prototypen. "Det næste skridt er at lave selvstændige partikler ved at belægge kvanteprikker med metal i den helt rigtige størrelse og form."

Disse viser lovende som medicinske kontrastmidler eller lægemiddelleveringsmidler, han sagde. "Infrarødt lys trænger dybere ind i væv, og blåt lys kan forårsage de reaktioner, der er nødvendige for levering af medicin, "Naik sagde." Folk bruger upconvertere med stoffer, levere dem til den ønskede del af kroppen, og skinne infrarødt lys udefra for at levere og aktivere stoffet."

Partiklerne ville også lave en gennemsnitlig usynlig blæk, han sagde. "Du kan skrive med en opkonverterer, og ingen ville vide det, før du lyser infrarødt med høj intensitet på den, og den opkonverterer til synligt lys."