(a) 30º lutad SEM-bild av vertikalt nanotrådsmönster av kisel. Radier av nanotrådarna varierar från 35 nm till 75 nm och längden på nanotrådarna är ~1 µm. Bokstäverna S (vänster), E, A, och S (höger) omfattar vardera nanotrådar med radier på 70 nm, 60 nm, 50 nm och 40 nm, respektive. (b) Ljusfält optiskt mikroskopbild av mönster. Gradvis färgförändring uppnås genom gradvis förändring av nanotrådsradier. (c) Förstorad bild av det valda området indikerad av den vita kvadraten på panel b. Varje blå fläck är en enda nanotråd. (d) 30º lutad SEM-bild av Bayers filtermönster. Mönstret består av vertikala nanotrådar av kisel med radier på 45 nm, 50 nm, och 65 nm representerar rött, blå, och gröna färger, respektive. Infogning:förstorad SEM-bild. Skalstången är 1 µm. (e) Ljusfält optiskt mikroskopbild av mönster. Varje nanotråd visar en färg som kan styras genom lämpligt val av dess radie. Kredit:med tillstånd av Ken Crozier och Kwanyong Seo, Harvard School of Engineering and Applied Sciences
(PhysOrg.com) -- Ingenjörer kan snart sjunga, "Jag ska tvätta det gråa direkt ur mina nanotrådar, " tack vare en färgstark upptäckt av ett team av forskare från Harvard University och Zena Technologies. I motsats till den dystra grå nyansen hos kiselwafers, Kenneth B. Crozier och kollegor visade att individen, vertikala nanotrådar av kisel kan lysa i alla färger i spektrat.
Den livfulla displayen, beroende på diametern på de enskilda trådarna, är till och med synlig för blotta ögat. Förutom att lägga till en skvätt färg till labbet, fyndet har potential att användas i nanoskala bildsensorenheter, ger ökad effektivitet och möjlighet att upptäcka färg utan användning av filter.
"Det är förvånande, " säger Crozier, John L. Loeb Docent i naturvetenskap vid Harvard School of Engineering and Applied Science (SEAS). "Många människor tillverkar nanotrådar, och du tänker verkligen inte på färgen så mycket. I denna vertikala konfiguration kan du få mycket starka färgeffekter, och du kan ställa in dem över ett antal våglängder i det synliga området. De starka effekterna kan ses ända ner till nivån för den enskilda tråden."
Fyndet, publicerades den 17 mars, 2011, onlineupplaga av Nano Letters, kan vara den första experimentella rapporten att nanotrådar av kisel kan anta en mängd olika färger beroende på deras diameter och under ljusfältsbelysning. Tidigare arbete har visat att nanotrådar kan anta olika färger men bara genom att titta på spridda, snarare än direkt reflekterad, ljus.
För att skapa den mångfärgade uppsättningen av vertikala nanotrådar av kisel, ingenjörerna vid Harvard och Zena Technologies använde en kombination av elektronstrålelitografi och induktivt kopplad plasmareaktiv jonetsning.
En slät skiva av kisel plasmaetsades tills allt som återstod var de vertikalt utskjutande nanotrådarna, som liknar borst på en tandborste. Medan nanotrådarna skapades i uppsättningar av tusentals för bekvämlighet, färgerna de visade berodde på egenskaperna hos de enskilda trådarna, inte förresten ljus spreds eller diffrakterades i gruppen.
(a) Vertikal kisel nanotråd kvadratisk array. Den totala omfattningen av nanotrådarrayen är 100 µm gånger 100 µm. Nanotrådsdelningen är 1 µm. Ovanifrån (b) och 30 º lutad vy (c) av nanotrådarray. (d) Förstorad lutad vy av nanotrådarray. Nanotrådarna har radier på 45 nm och är 1 µm långa. Kredit:med tillstånd av Ken Crozier och Kwanyong Seo, Harvard School of Engineering and Applied Sciences.
"Varje nanotråd fungerar som en vågledare, som en optisk fiber i nanostorlek – men en optiskt absorberande sådan, " förklarar Crozier. "Vid korta våglängder finns det inte mycket optisk koppling till nanotråden. Vid långa våglängder, kopplingen är bättre, men vågledarens egenskaper är sådana att det inte finns mycket absorption. Mellan, det finns ett antal våglängder där ljuset kopplas till nanotråden och absorberas. Detta intervall bestäms av nanotrådens diameter. Vi gjorde nanotrådar med diametrar på 90, 100, och 130 nm som verkade röd, blått och grönt, respektive."
För att demonstrera det anmärkningsvärda fenomenet och den relativa lättheten att kontrollera och placera de färgglada nanotrådarna, forskarna skapade en hyllning i nanoskala till Harvard, designa ett mönster som liknar ingenjörsskolans Veritas-sigill och stavar ut akronymen SEAS i en regnbåge av färger.
Medan Harvard-bilden nära matchade skolans sigill, den önskade färgen gäckade ingenjörerna.
"Vi ville faktiskt göra sigillen röd snarare än blå, men det visade sig att diametern var lite fel, säger Crozier.
Eftersom även små förändringar i en tråds radie kan förändra färgen, sigillen visade sig vara blå, mer lämplig för den berömda sigillen från en viss annan Ivy League-institution.
Lyckligtvis, Tekniken har andra lovande tillämpningar. Forskarnas slutliga mål är att använda ledningarna i bildsensorer. Traditionella fotodetektorer i bildsensorenheter kan mäta ljusets intensitet men inte bestämma dess färg utan användning av ett extra filter, som kastar bort mycket av ljuset, begränsa enhetens känslighet.
Forskarna hoppas kunna ta itu med detta genom att tillverka vertikala nanotrådar som innehåller fotodetektorer ovanför standardfotodetektorer bildade på en kiselskiva. Nanotråden och standardfotodetektorerna kunde var och en detektera olika delar av det infallande ljusets spektrum. Genom att jämföra signalerna från var och en färgen kunde bestämmas utan att förlora så mycket av ljuset.
"Med bildsensorer, varje liten bit av effektivitet räknas. Dessutom, vi föreställer oss till och med att använda de färgade ledningarna för att koda data i en skrivskyddad typ av informationslagring, ", tillägger Crozier.
