En Rice University-professors metod för att "uppkonvertera" ljus skulle kunna göra solceller mer effektiva och sjukdomsinriktade nanopartiklar mer effektiva.

Experiment ledda av Gururaj Naik, en biträdande professor i el- och datateknik, kombinerade plasmoniska metaller och halvledande kvantbrunnar för att öka ljusets frekvens, byter färg.

I en prototyp i nanoskala utvecklade Naik som postdoktor vid Stanford University, specialdesignade pyloner som träffades av grönt ljus gav ett blått sken med högre energi. "Jag tar lågenergifotoner och omvandlar dem till högenergifotoner, " han sa.

Effektiv uppkonvertering av ljus kan låta solceller förvandla annars bortkastat infrarött solljus till elektricitet eller hjälpa ljusaktiverade nanopartiklar att behandla sjuka celler, sa Naik.

Verket visas i American Chemical Society's Nanobokstäver .

Magin sker inuti små pyloner som mäter cirka 100 nanometer i diameter. När det exciteras av en specifik våglängd av ljus, guldfläckar på spetsarna av pylonerna omvandlar ljusenergin till plasmoner, vågor av energi som skvalpar rytmiskt över guldytan som krusningar på en damm. Plasmoner är kortlivade, och när de förfaller, de ger upp sin energi på ett av två sätt; de sänder antingen ut en foton av ljus eller producerar värme genom att överföra sin energi till en enda elektron - en "het" elektron.

Naiks arbete på Stanford har inspirerats av det banbrytande arbetet av professorerna Naomi Halas och Peter Nordlander vid Rices Laboratory for Nanophotonics, som hade visat att spännande plasmoniska material även exciterade "heta bärare" – elektroner och hål – inombords. (Elektronhål är de vakanser som skapas när en elektron exciteras till ett högre tillstånd, ger sin atom en positiv laddning.)

"Plasmonics är riktigt bra på att klämma ljus på nanoskala, sa Naik, som började på Rices fakultet för ett år sedan. "Men det kostar alltid något. Halas och Nordlander visade att man kan utvinna de optiska förlusterna i form av elektricitet. Min idé var att återställa dem till optisk form."

Han designade pyloner med omväxlande lager av galliumnitrid och indiumgalliumnitrid som toppades med ett tunt lager av guld och omgavs av silver. Istället för att låta de varma bärarna glida iväg, Naiks strategi var att rikta både heta elektroner och heta hål mot galliumnitrid- och indiumgalliumnitridbaserna som fungerar som elektronfångande kvantbrunnar. Dessa brunnar har ett inneboende bandgap som binder elektroner och hål tills de rekombinerar med tillräcklig energi för att hoppa över gapet och frigöra fotoner med en högre frekvens.

Dagens uppkonverterare som används i on-chip-kommunikation, fotodynamisk terapi, säkerhet och datalagring har effektivitetsvinster i intervallet 5 till 10 procent, sa Naik. Kvantteorin erbjuder en maximal effektivitet på 50 procent ("eftersom vi absorberar två fotoner för att avge en") men, han sa, 25 procent är ett praktiskt mål för hans metod.

Naik noterade att hans enheter kan ställas in genom att ändra storleken och formen på partiklarna och tjockleken på lagren. "Uppkonverterare baserade på lantanider och organiska molekyler avger och absorberar ljus vid inställda frekvenser eftersom de är fixerade av atomära eller molekylära energinivåer, " sa han. "Vi kan designa kvantbrunnar och ställa in deras bandgap för att sända ut fotoner i det frekvensområde vi vill ha och på liknande sätt designa metallnanostrukturer för att absorbera vid olika frekvenser. Det betyder att vi kan designa absorption och emission nästan oberoende, vilket inte var möjligt tidigare."

Naik byggde och testade en proof-of-concept-prototyp av pylon-arrayen när han arbetade i Jennifer Dionnes Stanford-lab efter att ha skrivit ett teoretiskt dokument med henne som satte scenen för experimenten.

"Det är en solid state-enhet, " Naik sa om prototypen. "Nästa steg är att göra fristående partiklar genom att belägga kvantprickar med metall i precis rätt storlek och form."

Dessa visar lovande som medicinska kontrastmedel eller läkemedelsleveranser, han sa. "Infrarött ljus tränger djupare in i vävnader, och blått ljus kan orsaka de reaktioner som är nödvändiga för leverans av medicin, ", sa Naik. "Folk använder uppkonverterare med droger, leverera dem till önskad del av kroppen, och lyser infrarött ljus från utsidan för att leverera och aktivera läkemedlet."

Partiklarna skulle också göra ett genomsnittligt osynligt bläck, han sa. "Du kan skriva med en uppkonverterare och ingen skulle veta det förrän du lyser högintensivt infrarött på den och den uppkonverterar till synligt ljus."