Ondersteboven ontwerp vergroot de mogelijkheden van supercamera’s met een breed spectrum

Door een traditioneel, op laboratoria gebaseerd fabricageproces op zijn kop te zetten, hebben onderzoekers van Duke University de mogelijkheden van meta-oppervlakken voor het manipuleren van licht enorm uitgebreid, terwijl ze ze ook veel robuuster hebben gemaakt tegen de elementen.

Door de combinatie kunnen deze snel rijpende apparaten worden gebruikt in een breed scala aan praktische toepassingen, zoals camera’s die beelden vastleggen in een breed spectrum van licht in een enkele sluiterklik.

De resultaten verschijnen 1 juli online in het tijdschrift Nano-letters.

Plasmonics is een technologie die in wezen de energie van licht opsluit in groepen elektronen die samen op een metalen oppervlak oscilleren. Dit creëert een klein maar krachtig elektromagnetisch veld dat interageert met binnenkomend licht.

Traditioneel zijn deze groepen elektronen, plasmonen genaamd, geëxciteerd op de oppervlakken van metalen nanokubussen. Door de grootte van de nanokubussen en hun onderlinge afstand te regelen, evenals de metalen basis eronder, kan het systeem worden afgestemd om specifieke golflengten van licht te absorberen.

Deze zogenaamde plasmonische meta-oppervlakken bestaan ​​uit drie lagen: een metalen basis gecoat in een nanometer dun transparant substraat met daarop zilveren nanoblokjes. Hoewel deze configuratie goed heeft gewerkt voor laboratoriumdemonstraties, laat ze weinig ruimte voor creativiteit. Omdat een gebied van het nanodeeltje zich binnen enkele nanometers van het metalen oppervlak eronder moet bevinden, konden onderzoekers geen grote verscheidenheid aan vormen gebruiken.

Om deze behoefte aan vlakheid te omzeilen, besloten Maiken Mikkelsen, de James N. en Elizabeth H. Barton Associate Professor of Electrical and Computer Engineering aan Duke, en haar team te proberen elk nanodeeltje in zijn eigen kuiltje of putje te plaatsen. Dit zou de hele onderste helften van de nanodeeltjes omringen met metaal, waardoor de zijkanten zowel plasmonen als de bodems kunnen bevatten. Maar vanwege ongelooflijk krappe toleranties is dit makkelijker gezegd dan gedaan.

“We moeten bepaalde afmetingen met een precisie van één nanometer controleren over het oppervlak van een centimeter-grote wafel”, zei Mikkelsen. “Dat is alsof je de dikte van de grassprieten op een voetbalveld probeert te beheersen.”

Om deze uitdaging aan te gaan, hebben Mikkelsen en haar laboratorium het traditionele fabricageproces in wezen op zijn kop gezet. In plaats van te beginnen met een metalen oppervlak en daarop een dun transparant substraat te leggen gevolgd door nanokubussen, beginnen ze met de nanokubussen, die ze bedekken met een precies dunne spacercoating die de onderliggende vorm volgt, en eindigen met een metalen coating. Het is bijna als een omgekeerde ananascake, waarbij de nanoblokjes de ananassen zijn die bedekt worden met gekarameliseerde suiker en tot een dunne bodem worden gebakken.

Omdat meer dan één oppervlak van de nanokubussen nu plasmonen tussen gaten kon vangen, konden Mikkelsen en haar collega’s in 3D experimenteren met nieuwe nanodeeltjesvormen. In de krant probeerde het team massieve bollen en cuboctaëders – een vorm bestaande uit acht driehoekige vlakken en zes vierkante vlakken – evenals metalen bollen met een kwartskern.

“Het synthetiseren van nanodeeltjes kan lastig zijn en er zijn beperkingen voor elke vorm,” zei Mikkelsen. “Door bijna alle vormen te kunnen gebruiken, openen we echt veel nieuwe mogelijkheden, waaronder het verkennen van een verscheidenheid aan metalen.”

Testresultaten toonden aan dat de nieuwe fabricagemethode niet alleen de mogelijkheden van eerdere methoden met zilveren nanokubussen kan evenaren of overtreffen, maar ook het frequentiebereik kan uitbreiden dat wordt benut door deze verschillende vormen en metalen te gebruiken. Uit het onderzoek bleek ook dat deze variaties veranderen waar de nanodeeltjes energie op hun oppervlak vastleggen. Gecombineerd met de toegevoegde bonus van het in wezen weerbestendig maken van het hele apparaat door de nanodeeltjes te omhullen, zou de nieuwe techniek het gebruik van de technologie mogelijk kunnen uitbreiden naar het aansturen van chemische reacties of thermische detectoren.

Mikkelsens eerste prioriteit is echter het toepassen van de fabricagetechniek op haar project om een ​​”supercamera” te creëren die een breed scala aan eigenschappen van licht kan vastleggen en verwerken, zoals polarisatie, diepte, fase, coherentie en invalshoek.

“Wat hier echt belangrijk is, is dat grote, macroscopische gebieden zeer goedkoop door de meta-oppervlakken kunnen worden bedekt, omdat we volledig lithografievrije fabricagetechnieken gebruiken,” zei Mikkelsen. “Dit betekent dat de metasurfaces kunnen worden geïntegreerd met andere bestaande technologieën en ook inspiratie kunnen creëren voor nieuwe plasmonische metasurface-toepassingen.”