Ingeniører manipulerer farver på nanoskalaen, få det til at forsvinde

Det meste af tiden, et materiales farve stammer fra dets kemiske egenskaber. Forskellige atomer og molekyler absorberer forskellige bølgelængder af lys; de resterende bølgelængder er de "iboende farver", som vi opfatter, når de reflekteres tilbage til vores øjne.

Såkaldt "strukturfarve" fungerer anderledes; det er en egenskab ved fysik, ikke kemi. Mikroskopiske mønstre på nogle overflader reflekterer lys på en sådan måde, at forskellige bølgelængder kolliderer og interfererer med hinanden. For eksempel, en påfugls fjer er lavet af gennemsigtige proteinfibre, der ikke selv har nogen iboende farve, alligevel ser vi skift, iriserende blå, grønne og lilla nuancer på grund af nanoskalastrukturerne på deres overflader.

Efterhånden som vi bliver dygtigere til at manipulere struktur i de mindste skalaer, imidlertid, disse to typer farve kan kombineres på endnu mere overraskende måder. Penn Engineers har nu udviklet et system af halvlederstrimler i nanoskala, der bruger strukturelle farveinteraktioner til helt at eliminere strimlernes iboende farve.

Selvom strimlerne skal absorbere orange lys og dermed fremstå som en blå nuance, de ser ud til at have ingen farve overhovedet.

Finjustering af et sådant system har konsekvenser for holografiske skærme og optiske sensorer. Det kan også bane vejen for nye typer mikrolasere og detektorer, grundlæggende elementer i længe eftertragtede fotoniske computere.

Undersøgelsen blev ledet af Deep Jariwala, adjunkt ved Institut for Elektro- og Systemteknik, sammen med laboratoriemedlemmer Huiqin Zhang, en kandidatstuderende, og Bhaskar Abhiraman, en bachelor.

Den blev udgivet i Naturkommunikation .

Forskerens eksperimentelle system består af strimler i nanoskala af en todimensionel halvleder, wolfram disulfid, arrangeret på guldbagside. Disse strimler, kun et par dusin atomer tykke, er fordelt med sub-optiske bølgelængdestørrelser, giver dem mulighed for at afgive den type strukturelle farve, der ses i sommerfuglevinger og påfuglefjer.

"Vi legede med dimensionerne af dette system, tog en masse eksperimentelle målinger, og kørte en masse simuleringer. Så lagde vi mærke til noget mærkeligt, " siger Abhiraman. "Hvis dimensionerne af disse strimler var helt rigtige, absorption af orange lys, som skal være iboende til materialet, forsvundet! Med andre ord, belægningen, der består af disse striber, er ufølsom over for indkommende lys og viser kun egenskaberne af det underliggende substrat."

"Andre nanofotonik-forskere har tidligere vist før, at strukturelle farver og disse iboende absorptioner kan interagere; dette kaldes 'stærk kobling'. Imidlertid, ingen har set denne form for forsvinden før, især i et materiale, der ellers skulle absorbere næsten 100 procent af lyset, " siger Jariwala. "I eksemplet med fuglefjer eller sommerfuglevinger, det er det biologiske materiales strukturer i nanoskala, der giver dem iriserende farver, da disse materialer ikke har meget iboende farve i sig selv. Men hvis et materiale har en stærk iboende farve, vi viser, at man kan gøre det modsatte og få det til at forsvinde med passende nanostrukturering. På nogle måder, det skjuler materialets iboende farve fra dets reaktion på lys."

At undersøge dette fænomen involverer at forstå, hvordan iboende farve virker på et subatomært niveau. Et atoms elektroner er arrangeret i forskellige koncentriske niveauer, afhængigt af hvor mange elektroner det element har. Afhængigt af de tilgængelige pladser i disse arrangementer, en elektron kan hoppe til et højere niveau, når den absorberer energien fra en bestemt bølgelængde af lys. De bølgelængder, der er i stand til at excitere elektroner på denne måde, bestemmer, hvilke der absorberes og hvilke der reflekteres, og dermed et materiales indre farve.

Nanofotonik-forskere som Jariwala, Zhang og Abhiraman studerer endnu mere komplicerede interaktioner mellem elektroner og deres naboer. Når atomer er arrangeret i gentagne krystallinske mønstre, såsom dem, der findes i de todimensionelle strimler af wolframdisulfid, deres elektronlag overlapper hinanden til sammenhængende bånd. Disse bånd er det, der tillader ledende materialer at overføre ladninger fra elektron til elektron. Halvledere, som wolframdisulfid, er allestedsnærværende i elektronik, fordi samspillet mellem deres elektronbånd giver anledning til nyttige fænomener, der kan manipuleres med eksterne kræfter.

I dette tilfælde, samspillet mellem lys og elektrisk ladning i halvlederstrimlerne frembragte den hidtil usete "tilslørings"-effekt.

"Når elektronen exciteres af orange bølgelængder, det skaber en ledig stilling kendt som et hul, forlader krystallen med et tæt bundet par af modsatte ladninger kaldet en exciton, " siger Jariwala. "Fordi lys er en form for elektromagnetisk stråling, dets elektromagnetiske felt kan interagere med denne ladningsexcitation og under særlige omstændigheder ophæve den, så en iagttager ville se orange af guldsubstratet i stedet for det blå på strimlerne oven på det."

I deres papir, Jariwala og hans kolleger viste, at de strukturelle farveeffekter og den iboende excitonabsorptionsinteraktion kan modelleres med nøjagtig samme matematik som koblede oscillatorer:masser, der hopper på fjedre.

"Vi anvendte denne model og opdagede, at under visse betingelser, denne forsvindingseffekt kan reproduceres, " siger Zhang. "Det er smukt, at et trick fra klassisk mekanik kan forklare, hvordan vores struktur interagerer med lys."

Denne type strukturelle farve, eller manglen på det, kan bruges til at fremstille belægninger i nanometertykkelse, der er konstrueret til at være ufølsomme over for indkommende lys, hvilket betyder, at belægningen ser ud til at have samme farve som materialet under den. Forskellige rumlige arrangementer af disse funktioner på nanoskala kunne give den modsatte effekt, giver mulighed for strålende hologrammer og displays. Traditionelt, at manipulere sådanne funktioner har været svært, da de nødvendige materialer var meget tykkere og sværere at fremstille.

"Da denne strukturelle farve, som vi observerer, også er meget følsom over for dets omgivende miljø, " Abhiraman siger, "man kan forestille sig at lave billige og følsomme kolorimetriske sensorer til kemikalier eller biologiske molekyler, hvis de er parret med den rigtige kemiske lokkemad."

"Et andet område af potentiel anvendelse er integrerede spektrometre og fotodetektorer på en chip, " siger han. "Selv her, traditionelle halvledermaterialer såsom silicium har været svære at bruge, da deres optiske egenskaber ikke er befordrende for stærk absorption. I kraft af 2-D materialernes kvantebegrænsede natur, de absorberer eller interagerer med lys meget stærkt, og deres arklignende struktur gør det nemt at placere eller afsætte eller belægge dem på vilkårlige overflader."

Forskerne mener, at den mest kraftfulde anvendelse af deres system kan være i fotoniske computere, hvor fotoner erstatter elektroner som medium for digital information, massivt at forbedre deres hastighed.

"Hybridisering af lys og stof har længe været brugt i optiske kommunikationskontakter og er blevet tænkt som driftsprincippet for de ultralavtærskeleffektlasere, der er nødvendige for fotonisk databehandling, " siger Jariwala. "Men, det har været vanskeligt at få sådanne anordninger til at virke ved stuetemperatur på en pålidelig og ønsket måde. Our work shows a new path towards making and integrating such lasers on arbitrary substrates, especially if we can find and replace our current 2-D semiconductors with ones that like to emit a lot of light."