En ny metod för att bygga "drivbroar" mellan metallnanopartiklar kan göra det möjligt för elektroniktillverkare att bygga fullfärgsskärmar med ljusspridande nanopartiklar som liknar de guldmaterial som medeltida hantverkare använde för att skapa rött målat glas.

"Skulle det inte vara intressant om vi kunde skapa målade glasfönster som ändrade färger med en knapptryckning?" sa Christy Landes, docent i kemi vid Rice och huvudforskaren i en ny studie om vindbryggametoden som visas denna vecka i tidskriften med öppen tillgång Vetenskapens framsteg .

Forskningen av Landes och andra experter vid Rice Universitys Smalley-Curl Institute kan göra det möjligt för ingenjörer att använda vanliga elektriska omkopplingstekniker för att konstruera färgskärmar från par av nanopartiklar som sprider olika färger av ljus.

I århundraden, Tillverkare av målat glas har utnyttjat de ljusspridande egenskaperna hos små guld nanopartiklar för att producera glas med rika röda toner. Liknande typer av material kan i allt större utsträckning komma till användning i modern elektronik när tillverkare arbetar för att göra mindre, snabbare och mer energieffektiva komponenter som arbetar vid optiska frekvenser.

Även om metallnanopartiklar sprider starkt ljus, forskare har funnit det svårt att få dem att producera dramatiskt olika färger, sa Landes.

Rice nya vindbrygga metod för färgväxling innehåller metallnanopartiklar som absorberar ljusenergi och omvandlar den till plasmoner, vågor av elektroner som flyter som en vätska över en partikels yta. Varje plasmon sprider och absorberar en karakteristisk frekvens av ljus, och till och med mindre förändringar i det vågliknande skvalpet av en plasmonförskjutning av den frekvensen. Ju större förändring i plasmonisk frekvens, desto större är skillnaden mellan de observerade färgerna.

"Ingenjörer som hoppas kunna göra en skärm av optiskt aktiva nanopartiklar måste kunna byta färg, ", sade Landes. "Denna typen av omkoppling har visat sig vara mycket svår att uppnå med nanopartiklar. Människor har nått måttlig framgång genom att använda olika plasmonkopplingsscheman i partikelsammansättningar. Vad vi dock har visat är variation av själva kopplingsmekanismen, som kan användas för att producera enorma färgförändringar både snabbt och reversibelt."

För att demonstrera metoden, Landes och studiens huvudförfattare Chad Byers, en doktorand i sitt labb, förankrade par guldnanopartiklar på en glasyta täckt med indiumtennoxid (ITO), samma ledare som används på många smartphoneskärmar. Genom att försegla partiklarna i en kammare fylld med en saltvattenelektrolyt och en silverelektrod, Byers och Landes kunde bilda en enhet med en komplett krets. De visade sedan att de kunde applicera en liten spänning på ITO för att elektroplätera silver på ytan av guldpartiklarna. I den processen, partiklarna belades först med ett tunt lager silverklorid. Genom att senare applicera en negativ spänning, forskarna fick en ledande silver-"vindbro" att bildas. Omkastning av spänningen fick bron att dra sig tillbaka.

"Det fantastiska med dessa kemiska broar är att vi kan skapa och eliminera dem helt enkelt genom att applicera eller vända en spänning, ", sa Landes. "Detta är den första metoden som ännu har visat sig producera dramatiska, reversibla färgförändringar för enheter byggda av ljusaktiverade nanopartiklar."

Byers sa att hans forskning om det plasmoniska beteendet hos gulddimerer började för ungefär två år sedan.

"Vi eftersträvade idén att vi kunde göra betydande förändringar i optiska egenskaper hos enskilda partiklar helt enkelt genom att ändra laddningstätheten, " sa han. "Teorin förutspår att färger kan ändras bara genom att lägga till eller ta bort elektroner, och vi ville se om vi kunde göra det reversibelt, helt enkelt genom att slå på eller stänga av en spänning."

Experimenten fungerade. Färgförskjutningen observerades och var reversibel, men färgförändringen var liten.

"Det skulle inte få någon att bli upphetsad över någon form av omkopplingsbara skärmapplikationer, " sa Landes.

Men hon och Byers märkte också att deras resultat skilde sig från de teoretiska förutsägelserna.

Landes sa att det berodde på att förutsägelserna var baserade på att använda en inert elektrod gjord av en metall som palladium som inte är föremål för oxidation. Men silver är inte inert. Det reagerar lätt med syre i luft eller vatten för att bilda ett lager av ful silveroxid. Detta oxiderande skikt kan också bildas av silverklorid, och Landes sa att det var vad som hände när silvermotelektroden användes i Byers första experiment.

"Det var en ofullkomlighet som kastade av sig våra resultat, men hellre än att fly från det, vi bestämde oss för att använda det till vår fördel, " sa Landes.

Rice plasmonics pionjär och studie medförfattare Naomi Halas, chef för Smalley-Curl Institute, sa den nya forskningen visar hur plasmoniska komponenter kan användas för att producera elektroniskt omkopplingsbara färgskärmar.

"Guldnanopartiklar är särskilt attraktiva för visningsändamål, sa Halas, Rices Stanley C. Moore professor i elektro- och datateknik och professor i kemi, bioteknik, fysik och astronomi, och materialvetenskap och nanoteknik. "Beroende på deras form, de kan producera en mängd olika färger. De är också extremt stabila, och även om guld är dyrt, mycket lite behövs för att producera en extremt ljus färg."

Vid design, testa och analysera uppföljningsexperimenten på dimerer, Landes och Byers samarbetade med ett hjärnförtroende av Rice plasmonicsexperter som inkluderade Halas, fysiker och ingenjör Peter Nordlander, kemisten Stephan Link, materialvetare Emilie Ringe och deras elever, samt Paul Mulvaney från University of Melbourne i Australien.

Tillsammans, teamet bekräftade sammansättningen och avståndet mellan dimererna och visade hur klaffbryggor av metall kunde användas för att inducera stora färgskiftningar baserat på spänningsingångar.

Nordlander och Hui Zhang, de två teoretikerna i gruppen, undersökte enhetens "plasmoniska koppling, " den interagerande dansen som plasmoner deltar i när de är i nära kontakt. Till exempel, plasmoniska dimerer är kända för att fungera som ljusaktiverade kondensatorer, och tidigare forskning har visat att anslutning av dimerer med nanotrådsbryggor ger ett nytt resonanstillstånd som kallas en "laddningsöverföringsplasmon, " som har sin egen distinkta optiska signatur.

"Den elektrokemiska överbryggningen av mellanpartikelgapet möjliggör en helt reversibel övergång mellan två plasmoniska kopplingsregimer, en kapacitiv och den andra ledande, ", sa Nordlander. "Skiftet mellan dessa regimer är uppenbart från den dynamiska utvecklingen av laddningsöverföringsplasmonen."

Halas sa att metoden ger plasmoniska forskare ett värdefullt verktyg för att exakt kontrollera gapen mellan dimerer och andra plasmoniska konfigurationer med flera partiklar.

"I tillämpad mening, gapkontroll är viktigt för utvecklingen av aktiva plasmoniska enheter som switchar och modulatorer, men det är också ett viktigt verktyg för grundforskare som bedriver nyfikenhetsdriven forskning inom det framväxande området kvantplasmonik."