Nanofotonik överväger hur ljus och materia på nanoskala interagerar med varandra, med fynd på området som är viktiga för nanofabricationstekniker och för framtida fotoniska enheter. Tills nyligen, metalliska nanopartiklar har huvudsakligen använts i nanofotoniska anordningar. Numera dock halvledarmaterial som kisel övervägs för nanopartiklarna.

Forskare från Eindhoven tekniska universitet (TU/e) och University of Kyoto har publicerat två viktiga artiklar om nanofoton konfigurationer baserade på kisel. För att markera den internationella ljusdagen 2020, ett papper, publicerad i tidningen ACS Photonics , har valts ut som en av de bästa tidningarna inom fotonik under det senaste året.

Området nanofotonik beaktar nanopartiklarnas interaktion med ljus när nanopartikelstorleken är ungefär densamma som ljusets våglängd. Kontroll av detta så kallade resonanssvar kan ha positiva konsekvenser för utvecklingen av nya nanofabriceringstekniker och för praktiska tillämpningar som att förbättra solceller och lysdioder och fotodetektorkänsligheter.

Fokus flyttade till kisel

Historiskt sett nanofotonikgemenskapen använde metalliska nanopartiklar, där fria laddningar i partiklarna oscillerar efter interaktion med det elektriska fältet för den inkommande elektromagnetiska vågen (ljus). Under de senaste åren har fokus har skiftat till nanopartiklar gjorda av halvledarmaterial, som kisel, där ljuset interagerar med elektroner bundna till atomen, i motsats till gratisavgifter. När det gäller metalliska nanopartiklar, interaktioner mellan ljus och halvledarnanopartiklar kan manifestera ett oscillerande eller resonant svar.

Forskare vid Institute for Photonic Integration (IPI) och Institutionen för tillämpad fysik under ledning av prof. Jaime Gómez Rivas, i samarbete med University of Kyoto, undersöker aktivt användningen av halvledarnanostruktur för nanofotonik. Nyligen, de publicerade två viktiga fynd i tidskrifterna Avancerade optiska material och ACS Photonics .

Stark koppling mellan organiska material och kiselnanopartiklar

En ny forskningsväg relaterar till den starka kopplingsregimen, där interaktioner mellan ljus och nanopartikelmaterial är tillräckligt starka för att förändra materialets grundläggande egenskaper. Faktiskt, ett hybridiseringsresultat där materia antar vissa ljusegenskaper och ljuset tar några av materiaegenskaperna. När organiska material används i optoelektroniska enheter, en nyckelfråga är nedbrytningen av materialen när det belyses och det korta avstånd över vilket laddningar kan sprida sig. Stark koppling skulle hjälpa till att begränsa dessa negativa effekter.

I deras första tidning, som publiceras i ACS Photonics , Gabriel Castellanos och medarbetare uppnådde en stark koppling för både elektriska och magnetiska svängningar mellan organiska material och grupper av polykristallina kiselnanopartiklar. Detta fynd banar väg för användning av kiselbaserade material i optoelektroniska organiska enheter, vilket kan leda till ökad prestanda. För att markera den internationella ljusdagen (16 maj 2020), denna artikel valdes av tidningen ACS Photonics , som publiceras av American Chemical Society, som en av de 24 mest relevanta artiklarna inom fotonik mellan maj 2019 och maj 2020.

Förbättrad ljusutsläpp

I det andra papperet, Shunsuke Murai och medarbetare visade att regelbundna uppsättningar av polykristallina kisel-nanopartiklar (olika former och storlekar) som kopplas till varandra kan isolera elektriska och magnetiska svängningar. Som ett resultat, när färgmolekyler är nära matriserna, starkare koppling mellan färgmolekylerna och kisel -nanopartiklarna resulterar i ökad ljusutsläpp från molekylerna. Till exempel, en 20-faldig förbättring observeras i vissa riktningar när den är kopplad till det elektriska fältet för nanopartiklar, medan en femfaldig förbättring resulterar när det finns koppling med magnetfältet. Detta kan ha konsekvenser för designen av framtida lysdioder.