Ultradunne metaal- en halfgeleiderfilms Zullen veelkleurige lichte, bestratingsgeleiding voor nieuwe optische detectieapparaten uit

Een nieuwe doorbraak op het gebied van natuurkunde onder leiding van doctoraatsstudent Yueming Yan kan het mogelijk maken om kleine, dunne, low-power optische apparaten te gebruiken bij zowel medische beeldvorming als omgevingsdetectie.

In een studie gepubliceerd in De wetenschap vordertYan en zijn collega’s, waaronder universitair hoofddocent chemie Janet Macdonald en Stevenson hoogleraar natuurkunde Richard Haglund, onderzocht kleine nanodeeltjes van metalen en halfgeleiders, specifiek goud en koper.

Het team legde twee ultrathijnlagen goud en halfgeleidende kopersulfide nanodeeltjes neer, waardoor een “sandwich” 100 keer dunner was dan een menselijk haar. Vervolgens zapten ze deze sandwich met een lichte lichte korter dan een triljoenste van een seconde. Dit zorgde ervoor dat de deeltjes heen en weer “kletsen”, waardoor energie zo efficiënt werd uitgewisseld dat ze licht in meerdere verschillende kleuren opnieuw uitten.

“Het is als de manier waarop het buigen van een vioolsnoer hogere akoestische boventonen kan produceren,” zei Yan. “Door de lagen dichter bij elkaar of verder uit elkaar te verschuiven en te meten hoe snel het licht flitste veranderde, ontdekten we een nieuwe, bliksemsnelle energie-uitwisseling tussen metaal- en halfgeleiderdeeltjes.”

Dit proces wordt resonerende energieoverdracht genoemd en het is effectief voor veel verschillende metalen en halfgeleider nanodeeltjes, waardoor infraroodlicht wordt omgezet in zichtbare en zelfs ultraviolette kleuren.

Yan zei dat dit proces zou kunnen worden geïntegreerd met on-chip lasers, die miniatuurlasers zijn die rechtstreeks op een circuit of chip zijn gefabriceerd. Dergelijke lasers zijn al essentiële componenten van toepassingen in optische communicatie, kwantuminformatieverwerking en gezondheidszorg.

“In de gezondheidszorg kon een draagbare beeldvormende patch ter grootte van een verband de groei van gezond weefsel voelen en tegelijkertijd littekens bewaken,” zei Yan.

“Het in ons papier beschreven apparaat produceert bijvoorbeeld groen en blauw licht. De groene licht bewaakt de groei van gezond weefsel, terwijl het blauwe licht gevoelig is voor littekenweefsel. Een arts kan een gezond dermaal collageen onderscheiden van littekenweefsel door de verhouding van groen tot blauw licht te bewaken en de behandeling dienovereenkomstig aan te passen.”

Het proces kan ook helpen bij het omgevingsdetectie door een ultrathijnsensor die in kleding is geweven of op muren wordt geverfd om verontreinigende stoffen, gaslekken en ziekteverwekkers met ongekende gevoeligheid te detecteren.

Yan zei dat een enkele sensor zichtbare en ultraviolette signalen zou kunnen uitzenden om zowel lucht- als waterkwaliteit te controleren. Wanneer gepompt met bijna-infrarood licht, produceert de sensor efficiënt zowel zichtbaar licht, dat sterk wordt geabsorbeerd door stikstofoxiden uit de auto-uitlaat en ultraviolet licht, dat wordt geabsorbeerd door verontreinigende stoffen in water.

“Uiteindelijk,” zei Yan, “deze nanometer-dunne films kunnen omvangrijke optische sensoren vervangen door flexibele, draagbare of zelfs implanteerbare apparaten, waardoor de gezondheids- en veiligheidstechnologieën worden getransformeerd.”