Med sitt löfte om supersnabba datorer och ultrakraftfulla optiska mikroskop bland de många möjligheterna, plasmonics har blivit ett av de hetaste områdena inom högteknologi. Dock, Hittills har plasmoniska egenskaper begränsats till nanostrukturer som har gränssnitt mellan ädelmetaller och dielektrikum. Nu, forskare vid U.S. Department of Energy (DOE) Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har visat att plasmoniska egenskaper även kan uppnås i de halvledarnanokristaller som kallas kvantprickar. Denna upptäckt borde göra området för plasmonik ännu hetare.

"Vi har visat väldefinierade lokaliserade ytplasmonresonanser som härrör från bärare av p-typ i vakansdopade halvledarkvantprickar som borde möjliggöra plasmonisk avkänning och manipulation av fasta tillståndsprocesser i enkla nanokristaller, " säger Berkeley Labs direktör Paul Alivisatos, en nanokemimyndighet som ledde denna forskning. "Våra dopade halvledarkvantprickar öppnar också upp möjligheten att starkt koppla fotoniska och elektroniska egenskaper, med konsekvenser för lätt skörd, olinjär optik, och kvantinformationsbehandling."

Alivisatos är motsvarande författare till en artikel i tidskriften Naturmaterial med titeln "Lokaliserade ytplasmonresonanser som uppstår från fria bärare i dopade kvantprickar." Medförfattare till tidningen var Joseph Luther och Prashant Jain, tillsammans med Trevor Ewers.

Termen "plasmonics" beskriver ett fenomen där instängningen av ljus i dimensioner som är mindre än våglängden för fotoner i fritt utrymme gör det möjligt att matcha de olika längdskalorna som är förknippade med fotonik och elektronik i en enda nanoskala enhet. Forskare tror att det genom plasmonics borde vara möjligt att designa sammankopplingar av datorchip som kan flytta mycket större mängder data mycket snabbare än dagens chips. Det ska också vara möjligt att skapa mikroskoplinser som kan lösa föremål i nanoskala med synligt ljus, en ny generation högeffektiva lysdioder, och superkänsliga kemiska och biologiska detektorer. Det finns till och med bevis för att plasmoniska material kan användas för att böja ljus runt ett föremål, vilket gör det objektet osynligt.

Det plasmoniska fenomenet upptäcktes i nanostrukturer vid gränssnitten mellan en ädel metall, som guld eller silver, och ett dielektrikum, som luft eller glas. Att rikta ett elektromagnetiskt fält mot ett sådant gränssnitt genererar elektroniska ytvågor som rullar genom ledningselektronerna på en metall, som krusningar som sprider sig över ytan av en damm som har blivit plunkad med en sten. Precis som energin i ett elektromagnetiskt fält bärs i en kvantiserad partikelliknande enhet som kallas en foton, energin i en sådan elektronisk ytvåg bärs i en kvantiserad partikelliknande enhet som kallas en plasmon. Nyckeln till plasmoniska egenskaper är när oscillationsfrekvensen mellan plasmonerna och de infallande fotonerna matchar, ett fenomen som kallas lokaliserad ytplasmonresonans (LSPR). Konventionell vetenskaplig visdom har ansett att LSPR kräver en metall nanostruktur, där ledningselektronerna inte är starkt fästa vid enskilda atomer eller molekyler. Detta har visat sig inte vara fallet eftersom Prashant Jain, en medlem av Alivisatos forskargrupp och en av huvudförfattarna till Nature Materials paper, förklarar.

"Vår studie representerar ett paradigmskifte från metall nanoplasmonics eftersom vi har visat att, i princip, vilken nanostruktur som helst kan uppvisa LSPRs så länge som gränssnittet har ett ansenligt antal gratis laddningsbärare, antingen elektroner eller hål, " säger Jain. "Genom att demonstrera LSPRs i dopade kvantprickar, vi har utökat utbudet av kandidatmaterial för plasmonik till att inkludera halvledare, och vi har också slagit samman området för plasmoniska nanostrukturer, som uppvisar avstämbara fotoniska egenskaper, med fältet av kvantprickar, som uppvisar avstämbara elektroniska egenskaper."

Jain och hans medförfattare gjorde sina kvantprickar från halvledaren kopparsulfid, ett material som är känt för att stödja många kopparbristiga stökiometrier. Initialt, nanokristallerna av kopparsulfid syntetiserades med användning av en vanlig varminsprutningsmetod. Även om detta gav nanokristaller som var i sig självdopade med laddningsbärare av p-typ, det fanns ingen kontroll över mängden lediga tjänster eller transportörer.

"Vi kunde övervinna denna begränsning genom att använda en jonbytesmetod vid rumstemperatur för att syntetisera kopparsulfid-nanokristallerna, " säger Jain. "Detta fryser nanokristallerna till ett relativt vakansfritt tillstånd, som vi sedan kan dopa på ett kontrollerat sätt med vanliga kemiska oxidanter."

Genom att införa tillräckligt med gratis elektriska laddningsbärare via dopningsmedel och lediga platser, Jain och hans kollegor kunde uppnå LSPRs i det nära-infraröda området av det elektromagnetiska spektrumet. Utvidgningen av plasmonik till att omfatta såväl halvledare som metaller erbjuder ett antal betydande fördelar, som Jain förklarar.

"Till skillnad från en metall, koncentrationen av fria laddningsbärare i en halvledare kan aktivt kontrolleras genom dopning, temperatur, och/eller fasövergångar, " säger han. "Därför, frekvensen och intensiteten av LSPRs i
dopbara kvantprickar kan ställas in dynamiskt. LSPRs av en metall, å andra sidan, en gång konstruerad genom ett urval av nanostrukturparametrar, som form och storlek, är permanent inlåst."

Jain föreställer sig att kvantprickar ska integreras i en mängd framtida film- och chipbaserade fotoniska enheter som aktivt kan kopplas om eller kontrolleras, och även appliceras på sådana optiska tillämpningar som in vivo-avbildning. Dessutom, den starka kopplingen som är möjlig mellan fotoniska och elektroniska lägen i sådana dopade kvantprickar har en spännande potential för tillämpningar inom solceller och artificiell fotosyntes

"I fotovoltaiska och artificiella fotosyntetiska system, ljus måste absorberas och kanaliseras för att generera energiska elektroner och hål, som sedan kan användas för att tillverka el eller bränsle, " säger Jain. "För att vara effektiv, det är mycket önskvärt att sådana system uppvisar en förbättrad interaktion av ljus med excitoner. Detta är vad en dopad kvantprick med ett LSPR-läge skulle kunna uppnå."

Potentialen för starkt kopplade elektroniska och fotoniska lägen i dopade kvantprickar uppstår från det faktum att halvledarkvantprickar tillåter kvantiserade elektroniska excitationer (excitoner), medan LSPR tjänar till att starkt lokalisera eller begränsa ljus av specifika frekvenser inom kvantpunkten. Resultatet är en förbättrad interaktion mellan exciton och ljus. Eftersom LSPR-frekvensen kan styras genom att ändra dopingnivån, och excitoner kan ställas in genom kvantinneslutning, det borde vara möjligt att konstruera dopade kvantprickar för att skörda de rikaste ljusfrekvenserna i solspektrumet.

Quantum dot plasmonics har också spännande möjligheter för framtida kvantkommunikation och beräkningsenheter.

"Användningen av enstaka fotoner, i form av kvantiserade plasmoner, skulle tillåta kvantsystem att skicka information med nästan ljusets hastighet, jämfört med elektronhastigheten och resistansen i klassiska system, " säger Jain. "Dopade kvantprickar genom att tillhandahålla starkt kopplade kvantiserade excitoner och LSPR och inom samma nanostruktur skulle kunna fungera som en källa för enstaka plasmoner."

Jain och andra i Alivsatos forskargrupp undersöker nu potentialen hos dopade kvantprickar gjorda av andra halvledare, såsom kopparselenid och germaniumtellurid, som också visar avstämbara plasmoniska eller fotoniska resonanser. Germaniumtellurid är av särskilt intresse eftersom det har fasförändringsegenskaper som är användbara för minneslagringsenheter.

"Ett långsiktigt mål är att generalisera plasmoniska fenomen till alla dopade kvantprickar, vare sig det är kraftigt självdopat eller extrinsiskt dopat med relativt få föroreningar eller vakanser, " säger Jain.