Forskare inom gruppen Organic Photonics and Nano-optics vid Laboratory of Organic Electronics har utvecklat optiska nanoantenner gjorda av en ledande polymer. Antennerna kan slås på och av, och kommer att möjliggöra en helt ny typ av kontrollerbara nano-optiska komponenter.

Plasmoner uppstår när ljus interagerar med metalliska nanopartiklar. Infallsljuset sätter igång en kollektiv svängning, en enhetlig rörelse framåt och bakåt, av elektronerna i partiklarna. Det är denna kollektiva svängning som är plasmon. Metalliska nanostrukturer och deras förmåga att forma ljus på en nanometer skala studeras av många forskargrupper runt om i världen för användning i, till exempel, biosensorer och energiomvandlingsanordningar, och för att förstärka andra optiska fenomen. Andra potentiella användningsområden inkluderar miniatyrmedicinsk utrustning och fönster som styr mängden ljus och värme som släpps ut eller avges från en byggnad.

I en artikel i Naturens nanoteknik , forskare från Linköpings universitet presenterar optiska nanoantenner, tillverkad av en ledande polymer istället för en traditionell metall, som guld eller silver. I detta fall, de använde en variant av PEDOT, som är en mycket använd polymer inom många andra områden, inklusive termoelektrik och bioelektronik.

"Vi visar att ljus kan omvandlas till plasmoner i nanostrukturer av det organiska materialet, säger Magnus Jonsson, ledare för gruppen Organic Photonics and Nano-optics vid Laboratory of Organic Electronics.

Det är, dock, inte elektroner som skapar plasmoner i den ledande polymeren, men polaroner. En polymer består av en lång kedja av anslutna atomer och i den ledande polymeren som forskarna har arbetat med, det är positiva laddningar längs polymerkedjan som är ansvariga för den elektriska ledningsförmågan. Tillsammans med tillhörande kedjedistrikt bildar dessa positiva laddningar polaroner, som startar kollektiva svängningar när ljus infaller på nanostrukturen.

"Våra organiska antenner kan vara transparenta för synligt ljus samtidigt som de reagerar på ljus vid något längre våglängder, gör dem intressanta för applikationer som smarta fönster, säger Magnus Jonsson.

Forskarna utförde initialt teoretiska beräkningar och använde simuleringar för att designa experiment, som de sedan kunde utföra. Shangzhi Chen, doktorand i gruppen, har lyckats producera miljarder små nanometerstora skivor av det organiska ledande materialet på en yta. Dessa små skivor reagerar på ljus och fungerar som små antenner.

Forskarna har visat att både diametern och tjockleken på skivorna bestämmer frekvensen av ljus som de reagerar på. Det är således möjligt att styra denna våglängd genom att ändra skivans geometri. Ju tjockare disken, ju högre frekvens. De hoppas också att de kan öka det våglängdsintervall som nanoantennerna reagerar på genom att ändra den använda polymeren.

En annan innovation de har utforskat är möjligheten att slå på och stänga av de organiska nanoantennerna, vilket är svårt med konventionella metaller. Materialet som tillverkas i laboratoriet är initialt i ett oxiderat tillstånd, och nanoantennerna är påslagna.

"Vi har visat att när vi reducerar materialet genom att utsätta det för ånga, vi kan stänga av ledningen och på så sätt även antennerna. Om vi ​​sedan reoxiderar det med, till exempel, svavelsyra, den återfår sin konduktivitet och nanoantennerna slås på igen. Detta är en relativt långsam process för tillfället, men vi har tagit de första stegen och visat att det är möjligt, säger Magnus Jonsson.

"Även om detta är grundforskning, våra resultat möjliggör en ny typ av kontrollerbara nano-optiska komponenter som vi tror kan användas för många applikationer. "