3D-printmethode onthult voor het eerst lichtemissie van nanodraden

Het team van Dr. Jaeyeon Pyo bij het Korea Electrotechnology Research Institute (KERI) is het eerste ter wereld dat lichtemissiepatronen van 3D-geprinte nanodraden heeft onthuld, wat gepubliceerd als coverartikel in het tijdschrift ACS Nano.

De hogere resolutie in display-apparaten betekent dat er meer pixels in een bepaald schermformaat zitten. Naarmate de pixeldichtheid toeneemt, worden films en afbeeldingen met meer precisie en detail weergegeven. In dit opzicht is lopend onderzoek gericht op het fabriceren van kleinere lichtgevende apparaten, van de micrometerschaal (een miljoenste van een meter) tot de nanometerschaal (een miljardste van een meter).

Naarmate de grootte van lichtgevende apparaten krimpt tot honderden nanometers, vinden er merkwaardige veranderingen plaats in de interactie tussen licht en materie, wat resulteert in aanzienlijk verschillende emissiepatronen vergeleken met macrostructuren. Daarom is begrip van lichtemissie van nanostructuren een essentiële voorwaarde voor de praktische toepassing van lichtgevende apparaten op nanoschaal.

Het onderzoeksteam van KERI, dat zich al jaren toelegt op het tentoonstellen van onderzoek met behulp van nanofotonische 3D-printtechnologie, heeft voor het eerst ter wereld zeer gerichte lichtemissiepatronen van 3D-geprinte nanodraden onthuld.

Normaal gesproken is het een uitdaging om lichtgevende materialen van gewenste groottes op specifieke locaties uniform te fabriceren met behulp van conventionele chemische of fysieke dampdepositiemethoden. De 3D-printtechnologie van KERI maakt echter nauwkeurige controle van de diameter mogelijk door de beperking van de opening van de printkop, waardoor de betrouwbare fabricage van lichtgevende materialen op gewenste locaties met een breed scala aan groottes (diameter van 1/10.000e van een meter tot 1/10e miljoenste van een meter) mogelijk is.

Het team van Dr. Jaeyeon Pyo observeerde en mat experimenteel lichtemissiepatronen van specimens die nauwkeurig waren vervaardigd met behulp van de nanofotonische 3D-printtechnologie, variërend in grootte van nanometer- tot micrometerschaal. Het team voerde ook elektromagnetische golfsimulaties uit voor diepgaande analyse en kruisvalidatie van hun argumenten.

Als gevolg hiervan verdwijnt de interne reflectie van licht als de grootte van lichtgevende materialen zo klein wordt als 300 nanometer in diameter, vanwege ruimtelijke opsluiting, wat leidt tot een eenrichtings rechte voortplanting van licht. Bijgevolg wordt het lichtemissiepatroon zeer directioneel.

Normaal gesproken plant licht zich voort via diverse paden binnen een gegeven interne structuur, wat resulteert in brede emissiepatronen als hun superpositie. Echter, in nanodraadstructuren bestaat er slechts één pad, wat leidt tot het waargenomen zeer directionele emissiepatroon.

Het waargenomen zeer directionele kenmerk kan de prestaties van displays, optische opslagmedia, encryptieapparaten en meer aanzienlijk verbeteren. Macrostructuren met brede emissiepatronen kunnen last hebben van optische overspraak wanneer ze dicht op elkaar worden geïntegreerd, waardoor signalen elkaar overlappen of vervagen.

Nanodraden met zeer directionele emissiepatronen daarentegen, maken een duidelijke scheiding tussen signalen van elke structuur bij hoge dichtheden mogelijk, waardoor vervormingen in de representatie of interpretatie worden geëlimineerd. De zeer directionele emissie van nanodraden maakt ze geschikt voor apparaten met hoge prestaties, zoals experimenteel is aangetoond door het team van KERI.

Dr. Pyo stelde: “Onderzoek naar optische fysica op nanoschaal is een uitdaging, vooral vanwege de moeilijkheid bij het voorbereiden van monsters, wat vaak duur en tijdrovend is. Onze bijdrage laat zien dat de 3D-printmethode een veelzijdig platform kan zijn voor het bestuderen van optische fysica vanwege de eenvoudige, flexibele en goedkope kenmerken.”

Hij voegde toe: “Dit onderzoek zal een aanzienlijke bijdrage leveren aan de geavanceerde displaytechnologieën en kwantumfysica, die deel uitmaken van het ‘National Strategic Technology Nurture Plan’ van Zuid-Korea.”

Het onderzoeksteam verwacht dat hun bijdrage aanzienlijke interesse zal wekken op het gebied van virtual reality (AR, VR), beamprojectors, optische opslagmedia, fotonische geïntegreerde schakelingen, encryptietechnologieën en beveiligd printen, waar ultrakleine lichtgevende materialen kunnen worden gebruikt. Ze streven ernaar om verschillende optische fenomenen die op nanoschaal voorkomen te blijven onderzoeken met behulp van de 3D-printmethode, waarbij ze de mogelijkheid voor vrije-vormfabricage benutten.