Att rada upp guldnanopartiklar i smala diken uthuggna i ett guldsubstrat har gjort det möjligt för A*STAR-forskare att kraftigt förbättra en optisk effekt som fördubblar frekvensen av infallande ljus1. Detta tillvägagångssätt kan hjälpa till att producera miniatyrenheter på chip som omvandlar ljusets frekvens.

Nanopartiklar av metaller, som guld, fungera som miniatyrantenner för ljus, koncentrera det elektromagnetiska fältet av infallande ljus. Denna fältförstärkning skulle kunna utnyttjas för att öka olinjära optiska effekter, som endast förekommer i mycket starka fält.

En sådan icke-linjär effekt är andra harmoniska generationen (SHG), där två inkommande fotoner med samma frekvens kombineras för att bilda en foton med dubbelt så hög frekvens. Symmetriöverväganden, dock, förhindra SHG från att förekomma inuti en guldstruktur; det kan bara förekomma på en guldyta. Denna begränsning har tidigare hindrat användningen av guldnanopartiklar för SHG.

Nu, Joel Yang och Zhaogang Dong från A*STAR Institute of Materials Research and Engineering och medarbetare har löst detta problem genom att producera guldstrukturer där guldnanopartiklar med en diameter på cirka 8 nanometer belagda med en organisk förening pressas in i 12 nanometer- breda skyttegravar. Detta skapar mellanrum cirka två nanometer breda på vardera sidan av nanopartiklarna (se bild). Dessa små luckor har en dubbel funktion - både förstärker fältförstärkningen av nanopartiklarna och ökar ljusets interaktion med guldytan.

Förbättringen är fantastisk. Kombinationen av dessa två effekter ökar SHG med mer än 4, 000 gånger jämfört med när samma guldnanopartiklar packas på ett platt guldsubstrat. "Denna förbättring av SHG är en av de högsta som någonsin rapporterats, " konstaterar Yang.

Teamet producerar strukturerna i två steg; de använde en "top-down" litografiprocess för att skapa diken och sedan "bottom-up" självmontering för att släppa ner nanopartiklarna i diken. Viktigt, båda processerna är skalbara, så att strukturerna potentiellt skulle kunna tillverkas i en kommersiellt gångbar skala.

Medan konventionella olinjära kristaller som utför SHG i sina interiörer fortfarande har högre konverteringseffektivitet, den lilla storleken på nanostrukturerna gör dem mycket attraktiva för att realisera SHG i mycket små skalor, inklusive enheter som kan integreras i chips. Yang noterar att det finns mycket utrymme för optimering. "Det finns gott om utrymme för förbättringar, speciellt för att uppnå SHG i ett miniatyriserat format, " han säger.

Forskarna undersöker användningen av andra material för att uppnå ännu högre SHG-förbättringar. De har också kontakt med ett Singapore-baserat företag i syfte att kommersialisera tekniken i framtiden.