Regelmatige reeksen van silicium nanodeeltjes vormen de sleutel tot het verbeteren van de lichtemissie in nanofotonische apparaten

Het veld van de nanofotonica gaat over de interactie van nanodeeltjes met licht, als de grootte van de nanodeeltjes ongeveer gelijk is aan de golflengte van het licht. Beheersing van deze zogenaamde resonante respons kan positieve gevolgen hebben voor de ontwikkeling van nieuwe nanofabricagetechnieken en voor praktische toepassingen zoals het verbeteren van de gevoeligheid van fotodetectoren en de efficiëntie van zonnecellen en LED's.

Focus verschoven naar silicium

Tot nu toe maakt de nanofotonicagemeenschap voornamelijk gebruik van metalen nanodeeltjes, waarbij vrije ladingen in de deeltjes oscilleren na interactie met het elektrische veld van de inkomende elektromagnetische golf (licht). In de afgelopen jaren is de focus verschoven naar nanodeeltjes gemaakt van halfgeleidermaterialen, zoals silicium, waarbij er - in tegenstelling tot vrije ladingen - een wisselwerking is tussen licht en elektronen gebonden aan het atoom. Wat betreft metalen nanodeeltjes kan de interactie tussen licht en halfgeleider nanodeeltjes een oscillerende of resonerende reactie tot gevolg hebben.

Onderzoekers van het Institute for Photonic Integration (IPI) en het Department of Applied Physics onder leiding van Prof. Jaime Gómez Rivas, onderzoeken in samenwerking met de Universiteit van Kyoto het gebruik van de nanostructuur van halfgeleiders voor nanofotonica. Onlangs publiceerden zij twee belangrijke bevindingen in de tijdschriften Advanced Optical Materials en ACS Photonics.

Sterke koppeling tussen organische materialen en silicium nanodeeltjes

Een nieuwe onderzoeksrichting heeft betrekking op de sterke koppeling, waarbij de interacties tussen licht en het materiaal van de nanodeeltjes sterk genoeg zijn om de fundamentele eigenschappen van het materiaal te veranderen. In feite resulteert dit in een hybridisering waarbij de materie een aantal lichteigenschappen van licht overneemt, en het licht een aantal van de eigenschappen van de materie. Bij het gebruik van organische materialen in opto-elektronische apparaten, is de degradatie van de materialen als ze worden verlicht en de korte afstand waarover ladingen zich kunnen verplaatsen een belangrijk punt. Een sterke koppeling zou helpen om deze negatieve effecten te beperken.

In hun eerste artikel, dat gepubliceerd is in ACS Photonics, bereikten Gabriel Castellanos en collega’s een sterke koppeling voor zowel elektrische als magnetische oscillaties tussen organische materialen en reeksen van polykristallijne silicium nanodeeltjes. Deze bevinding maakt de weg vrij voor het gebruik van materialen op basis van silicium in opto-elektronische organische apparaten, wat zou kunnen leiden tot verhoogde prestaties. Ter gelegenheid van de Internationale Dag van het Licht (16 mei 2020) werd dit artikel geselecteerd door het tijdschrift ACS Photonics, dat door de American Chemical Society wordt gepubliceerd, als een van de 24 meest relevante artikelen op het gebied van de fotonica tussen mei 2019 en mei 2020.

Verbeterde lichtemissie

In het tweede artikel, hebben Shunsuke Murai en collega's aangetoond dat de koppeling van regelmatige reeksen van polykristallijne silicium nanodeeltjes (verschillende vormen en maten) elektrische en magnetische oscillaties kunnen isoleren. Als de kleurstofmoleculen zich dicht bij de reeksen bevinden, heeft een sterkere koppeling tussen de kleurstofmoleculen en de reeksen silicium nanodeeltjes een verhoogde emissie van licht vanuit de moleculen tot gevolg. Er wordt bijvoorbeeld een twintigvoudige verhoging in bepaalde richtingen waargenomen als er een koppeling is aan het elektrisch veld van reeksen nanodeeltjes, terwijl een vijfvoudige verbetering optreedt als er een koppeling is met het magnetisch veld. Dit kan gevolgen hebben voor het ontwerp van toekomstige LED's.