Ett forskarlag för flera universitet har använt en ny spektroskopisk metod för att få en viktig inblick i hur ljus avges från skiktade nanomaterial och andra tunna filmer.

Tekniken, kallas energimomentumspektroskopi, gör det möjligt för forskare att titta på ljuset som kommer från en tunn film och avgöra om det kommer från sändare orienterade längs filmens plan eller från sändare orienterade vinkelrätt mot filmen. Att känna till sändarnas riktning kan hjälpa ingenjörer att bättre använda tunnfilmsmaterial i optiska enheter som lysdioder eller solceller.

Forskningen, publicerad online den 3 mars i Naturnanoteknik , var ett samarbete mellan Brown University, Case Western Reserve University, Columbia University, och University of California – Santa Barbara.

Den nya tekniken drar fördel av en grundläggande egenskap hos tunna filmer:störningar. Störningseffekter kan ses i regnbågens färger som syns på ytan av tvålbubblor eller oljeslickor. Forskare kan analysera hur ljus konstruktivt och destruktivt stör i olika vinklar för att dra slutsatser om själva filmen - hur tjock den är, till exempel. Denna nya teknik tar den typen av analys ett steg längre för ljusemitterande tunna filmer.

"Den viktigaste skillnaden i vår teknik är att vi tittar på energin såväl som vinkeln och polarisationen vid vilken ljus sänds ut, sa Rashid Zia, biträdande professor i teknik vid Brown University och en av studiens ledande författare. "Vi kan relatera dessa olika vinklar till distinkta orienteringar av sändare i filmen. Vid vissa vinklar och polariseringar, vi ser bara ljusutsläpp från sändare i planet, medan vi vid andra vinklar och polariseringar bara ser ljus som härrör från utsläpp från planet. "

Forskarna demonstrerade sin teknik på två viktiga tunnfilmsmaterial, molybdendisulfid (MoS2) och PTCDA. Var och en representerar en materialklass som visar löften för optiska applikationer. MoS2 är ett tvådimensionellt material som liknar grafen, och PTCDA är en organisk halvledare. Forskningen visade att ljusutsläpp från MoS2 endast sker från sändare i planet. I PTCDA, ljuset kommer från två olika arter av sändare, ett i planet och ett utanför planet.

När väl emitterarnas orientering är känd, Zia säger, det kan vara möjligt att designa strukturerade enheter som maximerar dessa riktningsegenskaper. I de flesta applikationer, tunnfilmsmaterial läggs ovanpå varandra. Emitterarnas orienteringar i varje lager indikerar om elektroniska excitationer sker inom varje lager eller över lager, och det har konsekvenser för hur en sådan enhet ska konfigureras.

"Om du tillverkade en LED med dessa skiktade material och du visste att de elektroniska exciteringarna skedde över ett gränssnitt, "Zia sa, "då finns det ett specifikt sätt du vill utforma strukturen för att få ut allt det ljuset och öka dess totala effektivitet."

Samma koncept kan gälla för ljusabsorberande enheter som solceller. Genom att förstå hur de elektroniska excitationerna sker i materialet, det kan vara möjligt att strukturera det på ett sätt som täcker mer inkommande ljus till el.

"En av de spännande sakerna med denna forskning är hur den sammanförde människor med olika expertis, "Zia sa." Vår grupps expertis på Brown är att utveckla nya former av spektroskopi och studera det elektroniska ursprunget för ljusemissioner. Kymissis -gruppen i Columbia har stor expertis inom organiska halvledare, och Shan -gruppen på Case Western har stor expertis inom skiktade nanomaterial. Jon Schuller, studiens första författare, gjorde ett bra jobb med att föra samman all denna expertis. Jon var en gästforskare här på Brown, en postdoktor i Energy Frontier Research Center i Columbia, och är nu professor vid UCSB. "