Ingenieurs manipuleren kleur op nanoschaal, waardoor ze verdwijnt

Meestal komt de kleur van een materiaal voort uit zijn chemische eigenschappen. Verschillende atomen en moleculen absorberen licht van verschillende golflengten; de overige golflengten zijn de “intrinsieke kleuren” die we waarnemen wanneer ze worden teruggekaatst naar onze ogen.

De zogenaamde “structurele kleur” werkt anders; het is een eigenschap van natuurkunde, niet van scheikunde. Microscopische patronen op sommige oppervlakken reflecteren licht zodanig dat verschillende golflengten botsen en met elkaar interfereren. De veren van een pauw zijn bijvoorbeeld gemaakt van transparante eiwitvezels die zelf geen intrinsieke kleur hebben, maar toch zien we verschuivende, iriserende blauwe, groene en paarse tinten vanwege de nanoschaalstructuren op hun oppervlak.

Naarmate we bedrevener worden in het manipuleren van structuren op de kleinste schaal, kunnen deze twee soorten kleur op nog meer verrassende manieren worden gecombineerd. Penn Engineers hebben nu een systeem van halfgeleiderstrips op nanoschaal ontwikkeld die structurele kleurinteracties gebruiken om de intrinsieke kleur van de strips volledig te elimineren.

Hoewel de stroken oranje licht moeten absorberen en dus een blauwe tint moeten hebben, lijken ze helemaal geen kleur te hebben.

Het verfijnen van een dergelijk systeem heeft gevolgen voor holografische displays en optische sensoren. Het zou ook de weg kunnen banen voor nieuwe soorten microlasers en detectoren, fundamentele elementen van langgevraagde fotonische computers.

Het onderzoek werd geleid door Deep Jariwala, assistent-professor bij de afdeling Electrical and Systems Engineering, samen met lableden Huiqin Zhang, een afgestudeerde student, en Bhaskar Abhiraman, een undergraduate.

Het is gepubliceerd in Nature Communications.

Het experimentele systeem van de onderzoeker bestaat uit stroken op nanoschaal van een tweedimensionale halfgeleider, wolfraamdisulfide, gerangschikt op een gouden achterkant. Deze stroken, slechts enkele tientallen atomen dik, zijn uit elkaar geplaatst op sub-optische golflengten, waardoor ze het type structurele kleur kunnen afgeven dat te zien is in vlindervleugels en pauwenveren.

“We speelden met de afmetingen van dit systeem, deden veel experimentele metingen en deden veel simulaties. Toen merkten we iets vreemds op”, zegt Abhiraman. ‘Als de afmetingen van deze stroken precies goed waren, verdween de absorptie van oranje licht, dat inherent zou moeten zijn aan het materiaal! Met andere woorden, de coating die uit deze stroken bestaat, is ongevoelig voor invallend licht en toont alleen de eigenschappen van de onderliggend substraat. “

“Andere nanofotonica-onderzoekers hebben eerder aangetoond dat structurele kleur en deze intrinsieke absorpties kunnen interageren; dit wordt ‘sterke koppeling’ genoemd.” Niemand heeft dit soort verdwijning echter eerder gezien, vooral niet in een materiaal dat anders bijna 100 procent van het licht zou absorberen “, zegt Jariwala. “In het voorbeeld van vogelveren of vlindervleugels zijn het de structuren op nanoschaal van het biologische materiaal die ze iriserende kleuren geven, aangezien die materialen op zichzelf niet veel intrinsieke kleur hebben. Maar als een materiaal een sterke intrinsieke kleur heeft, laten we zien dat men het tegenovergestelde kan doen en het kan laten verdwijnen met de juiste nanostructurering. In sommige opzichten verhult het de intrinsieke kleur van het materiaal door zijn reactie op licht. “

Om dit fenomeen te onderzoeken, moet je begrijpen hoe intrinsieke kleur werkt op subatomair niveau. De elektronen van een atoom zijn gerangschikt in verschillende concentrische niveaus, afhankelijk van het aantal elektronen dat dat element heeft. Afhankelijk van de beschikbare ruimtes in die arrangementen kan een elektron naar een hoger niveau springen wanneer het de energie van een bepaalde golflengte licht absorbeert. De golflengten die elektronen op deze manier kunnen exciteren, bepalen welke worden geabsorbeerd en welke worden gereflecteerd, en dus de intrinsieke kleur van een materiaal.

Nanofotonica-onderzoekers zoals Jariwala, Zhang en Abhiraman bestuderen nog meer gecompliceerde interacties tussen elektronen en hun buren. Wanneer atomen zijn gerangschikt in zich herhalende kristallijne patronen, zoals die in de tweedimensionale strips van wolfraamdisulfide, overlappen hun elektronenlagen in aaneengesloten banden. Deze banden zorgen ervoor dat geleidende materialen ladingen van elektron naar elektron kunnen doorgeven. Halfgeleiders, zoals wolfraamdisulfide, zijn alomtegenwoordig in de elektronica omdat het samenspel tussen hun elektronenbanden aanleiding geeft tot nuttige verschijnselen die kunnen worden gemanipuleerd met externe krachten.

In dit geval produceerde de interactie van licht en elektrische lading binnen de halfgeleiderstrips het ongekende “verhullende” effect.

“Wanneer het elektron wordt geëxciteerd door oranje golflengten, ontstaat er een leegte die bekend staat als een gat, waardoor het kristal een strak gebonden paar tegengestelde ladingen achterlaat, een exciton genaamd”, zegt Jariwala. “Omdat licht een vorm van elektromagnetische straling is, kan het elektromagnetische veld ervan interageren met deze ladingsexcitatie en het in speciale omstandigheden neutraliseren, zodat een waarnemer het oranje van het gouden substraat zou zien in plaats van het blauw van de stroken er bovenop. . “

In hun paper toonden Jariwala en zijn collega’s aan dat de structurele kleureffecten en de intrinsieke excitonabsorptie-interactie kunnen worden gemodelleerd met exact dezelfde wiskunde als gekoppelde oscillatoren: massa’s die op veren stuiteren.

“We pasten dit model toe en ontdekten dat dit verdwijningseffect onder bepaalde omstandigheden kan worden gereproduceerd”, zegt Zhang. “Het is prachtig dat een truc uit de klassieke mechanica kan verklaren hoe onze structuur omgaat met licht.”

Dit type structurele kleur, of het ontbreken daarvan, kan worden gebruikt om coatings met een nanometerdikte te maken die zijn ontworpen om ongevoelig te zijn voor invallend licht, wat betekent dat de coating dezelfde kleur lijkt te hebben als het materiaal eronder. Verschillende ruimtelijke ordeningen van die kenmerken op nanoschaal zouden het tegenovergestelde effect kunnen hebben, waardoor schitterende hologrammen en weergaven mogelijk zijn. Traditioneel was het moeilijk om dergelijke kenmerken te manipuleren, omdat de vereiste materialen veel dikker en moeilijker te vervaardigen waren.

“Aangezien deze structurele kleur die we waarnemen ook erg gevoelig is voor zijn omgeving”, zegt Abhiraman, “kan men zich voorstellen dat goedkope en gevoelige colorimetrische sensoren voor chemicaliën of biologische moleculen worden gemaakt als ze worden gecombineerd met het juiste chemische aas.”

“Een ander toepassingsgebied zijn de geïntegreerde spectrometers en fotodetectoren op een chip”, zegt hij. “Zelfs hier zijn traditionele halfgeleidermaterialen, zoals silicium, moeilijk te gebruiken omdat hun optische eigenschappen niet bevorderlijk zijn voor sterke absorptie. Dankzij de kwantum-beperkte aard van de 2-D-materialen absorberen ze of reageren ze zeer sterk op licht, en hun bladachtige structuur maakt het gemakkelijk om ze op willekeurige oppervlakken te plaatsen, te deponeren of te coaten. “

De onderzoekers denken dat de krachtigste toepassing van hun systeem mogelijk is in fotonische computers, waar fotonen elektronen vervangen als medium voor digitale informatie, waardoor hun snelheid enorm wordt verbeterd.

“Hybridisatie van licht en materie wordt al lang gebruikt in optische communicatieschakelaars en wordt gezien als het werkingsprincipe voor de ultra-lage drempelwaarde vermogenslasers die nodig zijn voor fotonische computers”, zegt Jariwala. “Het was echter moeilijk om dergelijke apparaten op een betrouwbare en gewenste manier bij kamertemperatuur te laten werken. Ons werk toont een nieuwe weg naar het maken en integreren van dergelijke lasers op willekeurige substraten, vooral als we onze huidige 2- D halfgeleiders met exemplaren die graag veel licht uitstralen. ”