Ledende polymer nanoantenner til dynamisk organisk plasmonik

Forskere i gruppen Organic Photonics og Nano-optics ved Laboratory of Organic Electronics har udviklet optiske nanoantenner lavet af en ledende polymer. Antennerne kan tændes og slukkes, og vil muliggøre en helt ny type kontrollerbare nano-optiske komponenter.

Plasmoner opstår, når lys interagerer med metalliske nanopartikler. Det indfaldende lys udløser en kollektiv oscillation, en samlet bevægelse frem og tilbage, af elektronerne i partiklerne. Det er denne kollektive svingning, der er plasmonen. Metalliske nanostrukturer og deres evne til at forme lys på en skala af nanometer studeres af mange forskningsgrupper rundt om i verden til brug i, for eksempel, biosensorer og energikonverteringsenheder, og for at forstærke andre optiske fænomener. Andre potentielle anvendelsesområder omfatter medicinsk miniatureudstyr og vinduer, der styrer mængden af ​​lys og varme, der slippes ind i eller udsendes fra en bygning.

I en artikel i Natur nanoteknologi , forskere fra Linköping Universitet præsenterer optiske nanoantenner, lavet af en ledende polymer i stedet for et traditionelt metal, såsom guld eller sølv. I dette tilfælde, de brugte en variant af PEDOT, som er en meget brugt polymer på mange andre områder, herunder termoelektrik og bioelektronik.

"Vi viser, at lys kan omdannes til plasmoner i nanostrukturer af det organiske materiale, siger Magnus Jonsson, leder af gruppen Organic Photonics and Nano-optics på Laboratory of Organic Electronics.

Det er, imidlertid, ikke elektroner, der skaber plasmoner i den ledende polymer, men polaroner. En polymer består af en lang kæde af forbundne atomer og i den ledende polymer, som forskerne har arbejdet med, det er positive ladninger langs polymerkæden, der er ansvarlige for den elektriske ledningsevne. Sammen med tilhørende kædeforstyrrelser danner disse positive ladninger polaroner, som starter kollektive svingninger, når lys falder ind på nanostrukturen.

"Vores organiske antenner kan være gennemsigtige for synligt lys, mens de reagerer på lys ved noget længere bølgelængder, gør dem interessante til applikationer som smarte vinduer, siger Magnus Jonsson.

Forskerne udførte oprindeligt teoretiske beregninger og brugte simuleringer til at designe eksperimenter, som de efterfølgende kunne gennemføre. Shangzhi Chen, ph.d.-studerende i gruppen, har formået at producere milliarder af bittesmå nanometerstore skiver af det organiske ledende materiale på en overflade. Disse små diske reagerer på lys og fungerer som bittesmå antenner.

Forskerne har vist, at både diameteren og tykkelsen af ​​skiverne bestemmer frekvensen af ​​lys, som de reagerer på. Det er således muligt at styre denne bølgelængde ved at ændre skivens geometri. Jo tykkere skiven er, jo højere frekvens. De håber også, at de kan øge rækkevidden af ​​bølgelængder, som nanoantennerne reagerer på, ved at ændre den anvendte polymer.

En anden innovation, de har udforsket, er evnen til at tænde og slukke for de organiske nanoantenner, hvilket er svært med konventionelle metaller. Materialet fremstillet i laboratoriet er oprindeligt i en oxideret tilstand, og nanoantennerne er tændt.

"Vi har vist, at når vi reducerer materialet ved at udsætte det for en damp, vi kan slukke for ledningen og på den måde også antennerne. Hvis vi så reoxiderer det vha. for eksempel, svovlsyre, den genvinder sin ledningsevne, og nanoantennerne tænder igen. Dette er en forholdsvis langsom proces i øjeblikket, men vi har taget de første skridt og vist, at det er muligt, siger Magnus Jonsson.

"Mens dette er grundforskning, vores resultater muliggør en ny type kontrollerbare nano-optiske komponenter, som vi mener kan bruges til mange applikationer."