Forskare vid Rice University har upptäckt ett nytt sätt att göra ultrakänsliga konduktivitetsmätningar vid optiska frekvenser på höghastighets nanoskala elektroniska komponenter.

Forskningen vid Rice's Laboratory for Nanophotonics (LANP) beskrivs online i en ny studie i American Chemical Society's journal ACS Nano . I en rad experiment, LANP-forskare kopplade par puckformade metall-nanodiskar med metalliska nanotrådar och visade hur strömflödet vid optiska frekvenser genom nanotrådarna producerade "laddningsöverföringsplasmoner" med unika optiska signaturer.

"Trycket för att ständigt öka hastigheten på mikrochipkomponenter har forskare som tittar på nanoskalaenheter och komponenter som arbetar med optiska frekvenser för nästa generations elektronik, "sa LANP -chefen Naomi Halas, ledande forskare på studien. "Det är inte känt hur dessa material och komponenter fungerar vid extremt höga ljusfrekvenser, och LANP:s nya teknik ger ett sätt att mäta elektriska transportegenskaper för nanomaterial och strukturer vid dessa extremt höga frekvenser. "

Halas är Rices Stanley C. Moore professor i elektroteknik och datateknik och professor i kemi, bioingenjör, fysik och astronomi, och materialvetenskap och nanoengineering. Hennes laboratorium är specialiserat på studier av nanopartiklar som interagerar med ljus. Till exempel, vissa metalliska nanopartiklar omvandlar ljus till plasmoner, vågor av elektroner som flyter som en vätska över partikelns yta. I dussintals studier under de senaste två decennierna har LANP -forskare har undersökt plasmonikens grundläggande fysik och visat hur plasmoniska interaktioner kan utnyttjas för applikationer så olika som medicinsk diagnostik, cancer behandling, insamling av solenergi och optisk beräkning.

En typ av plasmonisk interaktion som Halas team länge har studerat är plasmonisk koppling, en slags interagerande dans som plasmoner ägnar sig åt när två eller flera plasmoniska partiklar är belägna nära varandra. Till exempel, när två puckformade plasmoniska nanodiskar ligger nära varandra, de fungerar som små, ljusaktiverad kondensator. När en ledande tråd används för att överbrygga de två, deras plasmonenergier förändras och en ny resonans kallas en "laddningsöverföring" plasmon, visas med en distinkt frekvens.

I den nya forskningen, studera huvudförfattaren Fangfang Wen, en doktorand i ris vid LANP, undersökte de optiska egenskaperna hos par av överbryggade nanodiskar. När hon skapade plasmoner i paren, hon observerade laddningen som flödade fram och tillbaka längs trådarna vid optiska frekvenser. Vid undersökning av laddningsöverföringsplasmonerna i dessa par, hon upptäckte att den elektriska strömmen som flödar över korsningen introducerade en karakteristisk optisk signatur.

"I det fall där en ledande tråd fanns i korsningen, vi såg en optisk signatur som skilde sig mycket från fodralet utan en kabel, "Sa Wen. Wen inrättade sedan en serie experiment där hon varierade bredden och formen på de överbryggande nanotrådarna och upprepade dessa mätningar för nanotrådar av två olika metaller, guld och aluminium.

Dessa experiment avslöjade två nyckelfynd. Först, i den nedre änden av konduktansskalan, hon fann att även de minsta förändringar i konduktivitet resulterade i anmärkningsvärda optiska skift-en upptäckt som kan vara särskilt intressant för molekylärelektronikforskare som är intresserade av att mäta konduktivitet i strukturer så små som en enda molekyl.

"Vi fann också att vår plattform gav en annan optisk signatur i fall där konduktansnivån var densamma men övergångsmaterialet var annorlunda, "Sa Wen." Om vi ​​hade nanotrådar med samma konduktans som var gjorda av olika material, vi såg en annan optisk signatur. Om vi ​​använde samma material, med olika geometrier, vi såg samma signatur. "

Denna specificitet och repeterbarhet kan också vara användbar för forskare som kanske vill använda detta tillvägagångssätt för att identifiera konduktans av nanotrådar, eller andra elektroniska komponenter i nanoskala, vid optiska frekvenser. "Den optiska frekvenskonduktansen för de flesta material är inte känd, "sa hon." Detta ger en användbar och praktisk metod för att mäta den här egenskapen.

"För att minska elektronikens storlek även utanför dagens gränser, forskare vill studera elektronöverföring genom en enda molekyl, särskilt på extremt hög, även optiska frekvenser, "Wen sa." Sådana förändringar kan inte mätas med hjälp av elektroniska standardapparater eller instrument som fungerar vid mikrovågsfrekvenser. Vår forskning ger en ny plattform för mätning av nanoskala konduktans vid optiska frekvenser. "

Som ett erkännande av forskningens potential att förbättra "människors liv genom kemins förvandlande kraft, "American Chemical Society gjorde tidningen till ett ACS Editors 'Choice och gör det fritt tillgängligt för allmänheten online.