Att kombinera elektronik med infrarött ljus kan möjliggöra små, snabba och känsliga enheter för avkänning, avbildning och signalering på molekylär nivå. Men i det infraröda spektrumet måste material uppfylla strikta kvalitetskrav för sina kristaller för att uppfylla kraven för dessa funktioner.
Nu har forskare hittat ett förbättrat sätt att göra högkvalitativa kristaller som resonerar starkt med infrarött ljus. De testade dessa bandformade nanokristaller ("nanoribbons") med en unik infraröd sond. Nanobanden har den högsta uppmätta kvaliteten som rapporterats för sådana material hittills. Denna kvalitet gör kristallerna utmärkta möjligheter att användas i högpresterande infraröda enheter.
I deras studie, publicerad i ACS Nano 2022 tillverkade forskarna nanobanden med en metod som kallas flame vapour deposition (FVD). FVD är snabbt, billigt och skalbart. Det förbättras jämfört med en tidigare metod som använde tejp för att dra bort materiallager från ett bulkmaterial. FVD kräver inte heller extra behandlingar som kan skada och förorena kristallerna, vilket minskar deras kvalitet.
De nanorband som produceras med FVD har exceptionellt släta, parallella kanter som fungerar som reflekterande ytor. Detta gör det möjligt för nanorbanden att naturligt fungera som idealiska resonanshålrum för stående vibrationsvågor. Arbetet möjliggör direkt, snabb och skalbar produktion av högkvalitativa infraröda resonatorer för forskning och utveckling.
Med hjälp av FVD odlade forskare nanoband av molybdenoxid (MoO3 ), ett material som uppvisar egenskaper som potentiellt är användbara för att ställa in dess resonanser till frekvenser av infrarött ljus. De kontrollerade storlekarna och formerna på de syntetiserade proverna genom att variera temperatur, molybdenkoncentration och tid.
För att mäta kvaliteten på dessa nanoresonatorer använde forskarna Synchrotron Infrared Nano-Spectroscopy (SINS) vid Advanced Light Source, en Department of Energy (DOE) Office of Science användaranläggning vid Lawrence Berkeley National Laboratory. SINS använder spetsen på ett atomkraftmikroskop för att fokusera strålar av infrarött ljus från synkrotronstrålningen ner till en punktstorlek som är mindre än våglängden för det infraröda ljuset.
De resulterande resonanskartorna karakteriserar för första gången det ultrabredbandiga infraröda svaret för FVD-syntetiserad MoO3 nanoband med hög rumslig och spektral upplösning, detekterar resonanslägen bortom 10:e ordningen. Kvalitetsfaktorerna – ett mått på skärpan i resonanserna – ger tydliga bevis på den höga kristallkvaliteten hos de syntetiserade nanobanden.
Mer information: Shang-Jie Yu et al, ultrahögkvalitativa infraröda polaritoniska resonatorer baserade på syntetiserade van der Waals nanorribbons från botten och uppåt, ACS Nano (2022). DOI:10.1021/acsnano.1c10489
Journalinformation: ACS Nano
Tillhandahålls av US Department of Energy
