De 10, 000:e tidningen publicerad av Diamond Light Source skulle kunna förändra tekniklandskapet i grunden genom att möjliggöra en ny generation av enheter. Denna studie presenterar ett nytt sätt att se på kiralitet i tunna polymerfilmer som är viktiga för elektronik. Den presenterar störande insikter i kirala polymerfilmer, som avger och absorberar cirkulärt polariserat ljus, och erbjuder löftet om att uppnå viktiga tekniska framsteg, inklusive högpresterande skärmar, 3D-avbildning och kvantberäkning. Dessa fynd publicerades nyligen i Naturkommunikation .

Kiralitet är en grundläggande symmetriegenskap i universum. Vi ser vänsterhänta (LH) och högerhänta (RH) spegelbildspar i allt från sniglar och små molekyler till jättespiralgalaxer. Ljus kan också ha kiralitet. När ljuset färdas, dess interna elektriska fält kan rotera åt vänster eller höger och skapa LH eller RH cirkulär polarisation. Förmågan att kontrollera och manipulera denna chiral, cirkulärt polariserat ljus ger möjligheter inom nästa generations optoelektronik (figur 1a och 1b). Dock, ursprunget till de stora chiroptiska effekterna i tunna polymerfilmer (figurerna 1c och 2) har förblivit svårfångade i nästan tre decennier. I den här studien, en grupp forskare från Imperial College London, University of Nottingham, universitetet i Barcelona, Diamond Light Source och J.A. Woollam Company använde Diamonds Synchrotron Radiation Circular Dichroism beamline (B23) och Advanced Light Source i Kalifornien.

"Denna genombrottsstudie visar hur Diamonds kapacitet kan användas för att studera processer som normalt förekommer långt utom vår räckvidd. Teamets resultat presenterar en färdplan för att introducera kirotiska egenskaper i fler elektroniska enheter i framtiden, säger professor Laurent Chapon, direktör för fysik på Diamond.

Cirkulär dikroism (CD) har en förvånansvärt lång historia. På 1800-talet, Franska forskare observerade att kirala molekyler som inte överlagrar sin spegelbild absorberar vänster och höger cirkulärt polariserat ljus på olika sätt beroende på deras konfiguration (som för L- eller D-aminosyror) och även deras struktur. På 1960-talet, forskare hade insett att CD kunde vara oerhört hjälpsam för studier av invecklade materialstrukturer. Diamonds B23 strållinje är tillägnad CD och genererar en unik högkollimerad monokromatisk mikrostråle från vakuum ultraviolett (UV) till synligt ljus.

För denna studie, forskargruppen kombinerade ultravioletta CD-studier vid Diamond med resonant kol K-kant mjuk röntgenspridningsmätningar vid Advanced Light Source.

"Med en kombination av spektroskopiska metoder och strukturella sonder, forskarna ifrågasatte giltigheten av hittills datatolkning av dessa polymerfilmer, " förklarar professor Giuliano Siligardi, främsta strållinjeforskare på Diamonds B23 strållinje.

Man trodde tidigare att de stora chiroptiska effekterna som ses i dessa polymerfilmer orsakades av strukturell kiralitet som den som ses i kolesterisk flytande kristallin fas. Dock, denna studie visar att de – under förhållanden som är relevanta för tillverkning av enheter – orsakas istället av magneto-elektrisk koppling som genererar den naturliga optiska aktiviteten hos dessa polymerer.

Dr Jessica Wade, huvudförfattare till tidningen, säger, "Denna studie presenterar ett nytt sätt att se på kiralitet i tunna polymerfilmer, vilket är viktigt för elektroniken. Upptäckten att magneto-elektrisk koppling - och inte den strukturella kiraliteten med längre räckvidd - är ansvarig för de stora kirotiska effekterna kommer att möjliggöra en rationell design av polymerer för ett brett spektrum av enhetstillämpningar."

Alla experiment utfördes under förhållanden som är relevanta för verkliga tillämpningar, med aktiva lagertjocklekar ( <200 nm) som möjliggör produktion av högeffektiv elektronik.

"Våra resultat kommer att informera om designen av nya polymerer och enhetsarkitekturer där kemisk struktur och ryggradskonformation har optimerats för att maximera magneto-elektrisk koppling, möjliggör starka chiroptiska effekter utan behov av inriktning och alltför tjocka aktiva lager. Tillverkningsprotokollen optimerade vid B23—glödgningstid, temperatur (fig. 2), etc.—har redan resulterat i realiseringen av högeffektiva displayer och fotodetektorer, och vi fortsätter att undersöka dessa system med den nya Diamond B23 Mueller Matrix Polarimeter (MMP) funktionalitet."

Professor Sir David Stuart, direktör för life science vid Diamond och gemensam chef för strukturbiologi vid University of Oxford, säger, "Som en av de mest avancerade vetenskapliga anläggningarna i världen, Diamond strävar efter att möjliggöra vetenskap som förändrar världen varje dag. En viktig del av vårt uppdrag är att hjälpa till med publicering av artiklar och resultat av de experiment som gjorts här till det offentliga området. Denna innovativa 10, 000:e publikationen exemplifierar vikten av internationellt samarbete mellan vetenskap och anläggningar samt de vitala kopplingarna mellan grundforskning, tillämpad vetenskap och den teknik som för mänskligheten framåt."