Het maken van hoogwaardige kristallen die sterk resoneren met infrarood licht

Het combineren van elektronica met infrarood licht kan kleine, snelle en gevoelige apparaten mogelijk maken voor detectie, beeldvorming en signalering op moleculair niveau. In het infraroodspectrum moeten materialen echter aan strenge kwaliteitseisen voor hun kristallen voldoen om aan de eisen voor deze functies te kunnen voldoen.

Nu hebben onderzoekers een verbeterde manier gevonden om kristallen van hoge kwaliteit te maken die sterk resoneren met infrarood licht. Ze testten deze lintvormige nanokristallen (“nanoribbons”) met behulp van een unieke infraroodsonde. De nanolinten hebben de hoogste gemeten kwaliteit die tot nu toe voor dergelijke materialen is gerapporteerd. Deze kwaliteit maakt de kristallen uitstekende perspectieven voor gebruik in hoogwaardige infraroodapparaten.

In hun onderzoek, gepubliceerd in ACS Nano in 2022 maakten de onderzoekers de nanolinten met behulp van een aanpak genaamd flame vapor deposition (FVD). FVD is snel, goedkoop en schaalbaar. Het is een verbetering ten opzichte van een eerdere methode waarbij plakband werd gebruikt om materiaallagen van bulkmateriaal af te pellen. FVD vereist ook geen extra behandelingen die de kristallen kunnen beschadigen en vervuilen, waardoor de kwaliteit ervan afneemt.

De met FVD geproduceerde nanolinten hebben uitzonderlijk gladde, parallelle randen die fungeren als reflecterende oppervlakken. Hierdoor kunnen de nanolinten op natuurlijke wijze fungeren als ideale resonantieholtes voor staande trillingsgolven. Het werk maakt de directe, snelle en schaalbare productie van hoogwaardige infraroodresonatoren voor onderzoek en ontwikkeling mogelijk.

Met behulp van FVD kweekten onderzoekers nanolinten van molybdeenoxide (MoO₃), een materiaal dat eigenschappen vertoont die mogelijk nuttig zijn voor het afstemmen van de resonanties op frequenties van infrarood licht. Ze controleerden de grootte en vorm van de gesynthetiseerde monsters door de temperatuur, molybdeenconcentratie en tijd te variëren.

Om de kwaliteit van deze nanoresonatoren te meten, gebruikten de onderzoekers Synchrotron Infrared Nano-Spectroscopie (SINS) bij de Advanced Light Source, een gebruikersfaciliteit van het Department of Energy (DOE) Office of Science in het Lawrence Berkeley National Laboratory. SINS gebruikt de punt van een atoomkrachtmicroscoop om bundels infrarood licht van de synchrotronstraling te focusseren tot een vlekgrootte die kleiner is dan de golflengte van het infraroodlicht.

De resulterende resonantiekaarten karakteriseren voor het eerst volledig de ultrabreedband-infraroodrespons van FVD-gesynthetiseerde MoO₃ nanolinten met hoge ruimtelijke en spectrale resolutie, die resonantiemodi voorbij de 10e orde detecteren. De kwaliteitsfactoren – een maatstaf voor de scherpte van de resonanties – vormen een duidelijk bewijs van de hoge kristalkwaliteit van de gesynthetiseerde nanolinten.