Light-swisterende materialen gemaakt van Nano Semiconductors kunnen een game-wisselaar voor optiek zijn

Cornell-wetenschappers hebben een nieuwe techniek ontwikkeld om symmetrische halfgeleiderdeeltjes te transformeren in ingewikkeld gedraaide, spiraalvormige structuren-of “chirale” materialen-die films produceren met buitengewone lichtbuigende eigenschappen.

De ontdekking, gedetailleerd in een papier in het dagboek Wetenschapkunnen een revolutie teweegbrengen in technologieën die afhankelijk zijn van het beheersen van lichtpolarisatie, zoals displays, sensoren en optische communicatieapparaten.

Chirale materialen zijn speciaal omdat ze licht kunnen draaien. Een manier om ze te creëren is door exciton-koppeling, waarbij licht nanomaterialen opwindt om excitonen te vormen die interactie aangaan en energie met elkaar delen. Historisch gezien werden exciton-gekoppelde chirale materialen gemaakt van organische, op koolstof gebaseerde moleculen. Het creëren van anorganische halfgeleiders, gewaardeerd voor hun stabiliteit en instelbare optische eigenschappen, is uitzonderlijk uitdagend gebleken vanwege de precieze controle die nodig is over nanomateriale interacties.

Wetenschappers van het laboratorium van Richard D. Robinson, universitair hoofddocent materiaalwetenschappen en engineering in Cornell Engineering en senior auteur van de studie, overwonnen deze uitdaging door het gebruik van “Magic-sized clusters” gemaakt van cadmium-gebaseerde halfgeleiderverbindingen.

Magie-formaat clusters zijn unieke nanodeeltjes omdat ze identieke kopieën van elkaar zijn, alleen bestaande in discrete maten, in tegenstelling tot veel nanodeeltjes die continu in grootte kunnen variëren. Eerder onderzoek door de Robinson Group meldde dat toen de nanoclusters werden verwerkt tot dunne films, ze circulair dichroïsme vertoonden, een belangrijke ondertekening van chiraliteit.

“Circulair dichroïsme betekent dat het materiaal linkshandig en rechtshandig circulair gepolariseerd licht anders absorbeert, zoals hoe schroefdraden dicteren welke manier iets draait,” legde Robinson uit. “We realiseerden ons dat we door de drooggeometrie van de film zorgvuldig te beheersen, de structuur en de chiraliteit ervan konden regelen. We zagen dit als een kans om een ​​eigenschap te brengen die meestal in organische materialen in de anorganische wereld wordt gevonden.”

De onderzoekers gebruikten meniscus-geleide verdamping om lineaire nanoclusterassemblages in spiraalvormige vormen te verdraaien, waardoor homochirale domeinen verschillende vierkante millimeter in grootte vormden. Deze films vertonen een uitzonderlijk grote lichtstattere respons, waarbij eerder gerapporteerde recordwaarden voor anorganische halfgeleidermaterialen worden overtroffen met bijna twee orden van grootte.

“Ik ben enthousiast over de veelzijdigheid van de methode, die werkt met verschillende nanocluster -composities, waardoor we de films kunnen aanpassen om te communiceren met licht van de ultraviolet naar de infrarood,” zei Thomas Ugras, een doctoraatsstudent op het gebied van toegepaste en Engineering natuurkunde die het onderzoek leidde.

“De assemblagetechniek geeft niet alleen chiraliteit door, maar ook lineaire uitlijning op nanoclustervezels tijdens de afzetting, waardoor de films gevoelig zijn voor zowel circulair als lineair gepolariseerd licht, waardoor hun functionaliteit wordt verbeterd als metamateriaal-achtige optische sensoren.”

Deze ontdekking kan een revolutie teweegbrengen in technologieën die afhankelijk zijn van het beheersen van lichtpolarisatie, en leiden tot nieuwe innovaties, zoals holografische 3D-displays, kwantumcomputer met kamertemperatuur, ultra-lage power-apparaten of medische diagnostiek die bloedglucose-niveaus niet-invasief analyseren. De bevindingen bieden ook inzicht in de vorming van natuurlijke chirale structuren, zoals DNA, die toekomstig onderzoek in de biologie en nanotechnologie kunnen informeren.

“We willen begrijpen hoe factoren zoals clustergrootte, samenstelling, oriëntatie en nabijheid chiroptisch gedrag beïnvloeden,” zei Robinson. “Het is een complexe wetenschap, maar dit aantonen in drie verschillende materiële systemen vertelt ons dat er veel te verkennen is en het opent nieuwe deuren voor onderzoek en toepassingen.”

Robinson zei dat toekomstig werk zich zal richten op het uitbreiden van de techniek naar andere materialen, zoals nanoplatelets en kwantumstippen, evenals het verfijnen van het proces voor productieprocessen op industriële schaal die apparaten coaten met dunne films van halfgeleidermaterialen.