Fremstilling af krystaller af høj kvalitet, der resonerer stærkt med infrarødt lys

Kombination af elektronik med infrarødt lys kan muliggøre små, hurtige og følsomme enheder til sansning, billeddannelse og signalering på molekylært niveau. Men i det infrarøde spektrum skal materialer opfylde strenge kvalitetskrav til deres krystaller for at opfylde kravene til disse funktioner.

Nu har forskere fundet en forbedret måde at lave krystaller af høj kvalitet, der giver kraftig genklang med infrarødt lys. De testede disse båndformede nanokrystaller ("nanoribbons") ved hjælp af en unik infrarød sonde. Nanobåndene har den højeste målte kvalitet, der er rapporteret for sådanne materialer til dato. Denne kvalitet gør krystallerne til fremragende muligheder for brug i højtydende infrarøde enheder.

I deres undersøgelse, offentliggjort i ACS Nano i 2022 lavede forskerne nanobåndene ved hjælp af en fremgangsmåde kaldet flammedampaflejring (FVD). FVD er hurtig, billig og skalerbar. Det er forbedret i forhold til en tidligere metode, der brugte klæbende tape til at fjerne materialelag fra et bulkmateriale. FVD kræver heller ikke ekstra behandlinger, der kan beskadige og forurene krystallerne, hvilket reducerer deres kvalitet.

Nanobåndene fremstillet ved hjælp af FVD har exceptionelt glatte, parallelle kanter, der fungerer som reflekterende overflader. Dette gør det muligt for nanobåndene naturligt at fungere som ideelle resonanshulrum til stående vibrationsbølger. Arbejdet giver mulighed for direkte, hurtig og skalerbar produktion af højkvalitets infrarøde resonatorer til forskning og udvikling.

Ved hjælp af FVD dyrkede forskere nanobånd af molybdænoxid (MoO₃ ), et materiale, der udviser egenskaber, der potentielt er nyttige til at indstille dets resonanser til frekvenser af infrarødt lys. De kontrollerede størrelsen og formen af ​​de syntetiserede prøver ved at variere temperatur, molybdænkoncentration og tid.

For at måle kvaliteten af ​​disse nanoresonatorer brugte forskerne Synchrotron Infrared Nano-Spectroscopy (SINS) ved Advanced Light Source, en Department of Energy (DOE) Office of Science brugerfacilitet ved Lawrence Berkeley National Laboratory. SINS bruger spidsen af ​​et atomkraftmikroskop til at fokusere stråler af infrarødt lys fra synkrotronstrålingen ned til en pletstørrelse, der er mindre end bølgelængden af ​​det infrarøde lys.

De resulterende resonanskort karakteriserer for første gang fuldt ud den ultrabredbånds infrarøde respons af FVD-syntetiseret MoO₃ nanobånd med høj rumlig og spektral opløsning, der detekterer resonanstilstande ud over 10. orden. Kvalitetsfaktorerne – et mål for skarpheden af ​​resonanserne – giver klare beviser for den høje krystalkvalitet af de syntetiserede nanobånd.

Flere oplysninger: Shang-Jie Yu et al., ultrahøjkvalitets infrarøde polaritoniske resonatorer baseret på bottom-up-syntetiserede van der Waals nanorribbons, ACS Nano (2022). DOI:10.1021/acsnano.1c10489

Journaloplysninger: ACS Nano

Leveret af det amerikanske energiministerium