Lite flyktig fukt under ett experiment tipsade forskare om det märkliga beteendet hos ett komplext oxidmaterial de studerade – vilket belyser dess potential för att förbättra kemiska sensorer, datorer och informationslagring. I närvaro av en vattenmolekyl på dess yta, det skiktade materialet avger ultraviolett ljus från sitt inre. Ett team av forskare från Drexel University, University of Pennsylvania, University of California i Berkeley, och Temple University publicerade nyligen sin upptäckt att det är möjligt att styra produktionen av UV-ljus via en kemisk reaktion som fungerar som att vrida på en ljusströmbrytare.

När man studerade ett prov av lantanaluminatfilm på en strontinumtitanatkristall, laget, ledd av Drexel College of Engineering Professor Jonathan E. Spanier, Andrew M. Rappe, från Penn; Lane W. Martin, från Berkeley och Temples Xiaoxing Xi, upptäckte att provet började avge intensiva nivåer av UV-ljus. Att noggrant reproducera de experimentella förhållandena hjälpte dem att inse att vattenmolekyler kan spela en roll i UV-ljuset som emitteras inifrån materialet.

"I landmärken upptäckter, detta gränssnitt mellan två elektriska isolatorer har visat sig ha ett elektriskt ledande tillstånd, en som kan förändras av vatten på ytan av lantanaluminat, och uppvisar även supraledande och ferromagnetisk ordning, ", sa Spanier. "Men den här upptäckten är ganska anmärkningsvärd eftersom vi upptäckte en kemisk reaktion vid ytan som föranleder emission av ljus från gränssnittet inuti - och vi kan stänga av och på igen. Otroligt, vi kan också göra den starkare genom att öka avståndet mellan molekylerna och ytan och det nedgrävda gränssnittet, genom att använda tjockare filmer till exempel."

Teammedlemmar från Drexel, Berkeley och Temple vände sig till sina teorisamarbetspartners i laget, ledd av Penn's Rappe och andra teoriforskare Fenggong Wang och Diomedes Saldana-Grego, för att hjälpa till att tolka resultaten.

"Dissociation av vattenfragment på oxidytan frigör elektroner som rör sig till det begravda gränssnittet, ta bort jonladdningarna, " sa Wang. "Detta sätter all ljusemission på samma energi, ger den observerade skarpa fotoluminescensen."

Enligt Rappe, detta är den första rapporten om introduktionen av molekyler till ytan som kontrollerar emissionen av ljus – oavsett färg – från en nedgrävd fast yta-gränsyta.

"Mekanismen för att en molekyl landar och reagerar, kallas dissociativ kemisorption, eftersom ett sätt att kontrollera uppkomsten och undertryckandet av ljus skiljer sig från något annat tidigare rapporterat, " sa Saldana-Grego.

Teamet publicerade nyligen sina resultat, i tidskriften American Chemical Society Nanobokstäver . Pappret, med titeln "Ytkemiskt omkopplingsbar ultraviolett luminescens från gränssnitts tvådimensionell elektrongas, " beskriver deras metod för att generera och kontrollera reversibel ultraviolett luminescens från ett tvådimensionellt elektrongasbaserat halvledargränssnitt. Detta är en process som de studerade ingående genom fysisk testning av material som producerats av kollaboratörer vid Cal och Temple, och via datorsimuleringar av grupperna Rappe och Spanier.

"Vi misstänker att materialet kan användas för enkla enheter som transistorer och sensorer. Genom att strategiskt placera molekyler på ytan, UV-ljuset skulle kunna användas för att vidarebefordra information - ungefär som datorminne använder ett magnetfält för att skriva och skriva om sig själv, men med den betydande fördelen att göra det utan en elektrisk ström, sade Mohammad Islam, en biträdande professor från State University of New York i Oswego, som var med i Spaniers lag när han var på Drexel. "UV-fältets styrka varierar också med närheten till vattenmolekylen, Detta tyder på att materialet också kan vara användbart för att upptäcka närvaron av kemiska ämnen."

Enligt Spanier, betydligt mer grundforskning måste göras, men denna upptäckt kan hjälpa forskare att förstå hur elektroner interagerar vid dessa gränssnitt, och gränserna för hur de kan använda ytmolekyler för att kontrollera ljusemissionen.