Geen verliezen: wetenschappers vullen grafeen met licht

Natuurkundigen van MIPT en Vladimir State University, Rusland, hebben lichtenergie omgezet in oppervlaktegolven op grafeen met een efficiëntie van bijna 90%. Ze vertrouwden op een laserachtig energieconversieschema en collectieve resonanties. Het artikel is gepubliceerd in Laser & Fotonica beoordelingen.

Het manipuleren van licht op nanoschaal is een cruciale taak om ultracompacte apparaten te kunnen maken voor optische energieconversie en opslag. Om licht op zo’n kleine schaal te lokaliseren, zetten onderzoekers optische straling om in zogenaamde oppervlakteplasmon-polaritonen. Deze SPP’s zijn oscillaties die zich voortplanten langs het grensvlak tussen twee materialen met drastisch verschillende brekingsindices – in het bijzonder een metaal en een diëlektricum of lucht. Afhankelijk van de gekozen materialen varieert de mate van lokalisatie van de oppervlaktegolf. Het is het sterkst voor licht dat is gelokaliseerd op een materiaal dat slechts één atoomlaag dik is, omdat dergelijke 2-D-materialen hoge brekingsindices hebben.

De bestaande schema’s om licht om te zetten in SPP’s op 2D-oppervlakken hebben een rendement van maximaal 10%. Het is mogelijk om dat cijfer te verbeteren door intermediaire signaalomzetters te gebruiken – nano-objecten met verschillende chemische samenstellingen en geometrieën.

De tussenliggende converters die in de recente studie in Laser & Fotonica beoordelingen zijn halfgeleider-kwantumdots met een grootte van 5 tot 100 nanometer en een samenstelling vergelijkbaar met die van de vaste halfgeleider waaruit ze zijn vervaardigd. Dat gezegd hebbende, de optische eigenschappen van een kwantumdot variëren aanzienlijk met de grootte. Dus door de afmetingen te veranderen, kunnen onderzoekers het afstemmen op de gewenste optische golflengte. Als een verzameling kwantumdots van verschillende grootte wordt verlicht met natuurlijk licht, reageert elke stip op een bepaalde golflengte.

Quantum dots zijn er in verschillende vormen – cilinders, piramides, bollen, enz. – en in verschillende chemische samenstellingen. In zijn studie gebruikte het team van Russische onderzoekers ellipsoïde-vormige kwantumdots met een diameter van 40 nanometer. De stippen dienden als verstrooiers boven het oppervlak van grafeen, dat werd verlicht met infrarood licht met een golflengte van 1,55 micrometer. Een diëlektrische buffer van enkele nanometers dik scheidde het grafeenvel van de kwantumstippen.

Het idee om een ​​kwantumstip als verstrooier te gebruiken is niet nieuw. Sommige van de eerdere grafeenstudies gebruikten een vergelijkbare opstelling, waarbij de stippen boven het 2D-vel waren geplaatst en zowel met licht als met elektromagnetische oppervlaktegolven in wisselwerking stonden met een gemeenschappelijke golflengte die door de twee processen wordt gedeeld. Dit werd mogelijk gemaakt door een quantum dot-grootte te kiezen die precies goed was. Hoewel een dergelijk systeem tamelijk eenvoudig op een resonantie kan worden afgestemd, is het vatbaar voor het uitdoven van luminescentie – de omzetting van invallende lichtenergie in warmte – evenals voor omgekeerde lichtverstrooiing. Als gevolg hiervan kwam de efficiëntie van SPP-opwekking niet boven de 10%.

“We hebben een schema onderzocht waarbij een kwantumstip boven grafeen in wisselwerking staat met zowel invallend licht als met de elektromagnetische oppervlaktegolf, maar de frequenties van deze twee interacties zijn verschillend. De stip staat in wisselwerking met licht met een golflengte van 1,55 micrometer en met het oppervlakteplasmon. -polariton op 3,5 micrometer. Dit wordt mogelijk gemaakt door een hybride interactieschema, “zegt co-auteur Alexei Prokhorov, een senior onderzoeker bij het MIPT Center for Photonics and 2-D Materials, en een universitair hoofddocent aan de Vladimir State University.

De essentie van het hybride interactieschema is dat in plaats van slechts twee energieniveaus te gebruiken – de bovenste en onderste – de opstelling ook een tussenniveau omvat. Dat wil zeggen, het team gebruikte een energetische structuur die lijkt op die van de laser. Het tussenliggende energieniveau dient om de sterke verbinding tussen de kwantumdot en de elektromagnetische oppervlaktegolf mogelijk te maken. De quantumdot ondergaat excitatie bij de golflengte van de laser die hem verlicht, terwijl oppervlaktegolven worden gegenereerd bij de golflengte die wordt bepaald door de SPP-quantumdotresonantie.

“We hebben gewerkt met een reeks materialen voor de productie van kwantumstippen, evenals met verschillende soorten grafeen”, legt Prokhorov uit. “Behalve puur grafeen is er ook zogeheten gedoteerd grafeen, dat elementen uit de naburige groepen in het periodiek systeem bevat. Afhankelijk van het soort doping varieert het chemische potentieel van grafeen. We hebben de parameters van de kwantumpunt geoptimaliseerd: chemie, geometrie – evenals het type grafeen, om de efficiëntie van de omzetting van lichtenergie in plasmon-polaritonen aan het oppervlak te maximaliseren. Uiteindelijk kozen we voor gedoteerd grafeen en indiumantimonide als het kwantumpuntmateriaal. “

Ondanks de zeer efficiënte energie-input in grafeen via de quantum dot-intermediair, is de intensiteit van de resulterende golven extreem laag. Daarom moeten grote aantallen stippen worden gebruikt in een specifieke opstelling boven de grafeenlaag. De onderzoekers moesten precies de juiste geometrie vinden, de perfecte afstand tussen de stippen om signaalversterking te garanderen door de fasering van de nabije velden van elke stip. In hun studie rapporteert het team dat ze een dergelijke geometrie hebben ontdekt en een signaal in grafeen hebben gemeten dat ordes van grootte krachtiger was dan voor willekeurig gerangschikte kwantumstippen. Voor hun berekeningen gebruikten de natuurkundigen zelf ontwikkelde softwaremodules.

Het berekende omzettingsrendement van de nieuw voorgestelde regeling is zo hoog als 90% -95%. Zelfs als we rekening houden met alle mogelijke negatieve factoren die van invloed kunnen zijn op dit verdienstencijfer, zal het boven de 50% blijven – meerdere keren hoger dan enig ander concurrerend systeem.

“Een groot deel van dergelijk onderzoek is gericht op het maken van ultracompacte apparaten die in staat zouden zijn lichtenergie om te zetten in plasmon-polaritonen aan het oppervlak met een hoge efficiëntie en op zeer kleine schaal in de ruimte, waardoor lichtenergie in een structuur wordt opgenomen”, aldus de directeur. van het MIPT Center for Photonics and 2-D Materials, Valentyn Volkov, die co-auteur was van de studie. “Bovendien kun je polaritonen accumuleren, waardoor je mogelijk een ultradunne batterij ontwerpt die is samengesteld uit verschillende atomaire lagen. Het is mogelijk om het effect te gebruiken in lichtenergie-omvormers die vergelijkbaar zijn met zonnecellen, maar met een veel hoger rendement. detectie van nano- en bio-objecten. ”