Tweedimensionale materialen die moleculaire aggregaten worden genoemd, zijn zeer effectieve lichtstralers die volgens een ander principe werken dan typische organische lichtemitterende diodes (OLED's) of kwantumdots. Maar hun potentieel als componenten voor nieuwe soorten opto-elektronische apparaten is beperkt door hun relatief trage responstijd. Nutsvoorzieningen, onderzoekers van het MIT, de Universiteit van Californië in Berkeley, en Northeastern University hebben een manier gevonden om die beperking te overwinnen, mogelijk openen van een verscheidenheid aan toepassingen voor deze materialen.

De bevindingen worden beschreven in het tijdschrift Proceedings van de National Academy of Sciences , in een paper van MIT universitair hoofddocent werktuigbouwkunde Nicholas X. Fang, postdocs Qing Hu en Dafei Jin, en vijf anderen.

De sleutel tot het verbeteren van de responstijd van deze 2-D moleculaire aggregaten (2DMA), Fang en zijn team vonden, is om dat materiaal te koppelen met een dunne laag van een metaal zoals zilver. De interactie tussen de 2DMA en het metaal dat zich op slechts een paar nanometer afstand bevindt, verhoogt de snelheid van de lichtpulsen van het materiaal meer dan vertienvoudigd.

Deze 2DMA-materialen vertonen een aantal ongebruikelijke eigenschappen en zijn gebruikt om exotische vormen van materie te creëren, bekend als Bose-Einstein-condensaten, op kamertemperatuur, terwijl andere benaderingen extreme koeling vereisten. Ze zijn ook toegepast in technologieën zoals zonnecellen en organische antennes voor het oogsten van licht. Maar het nieuwe werk identificeert voor het eerst de sterke invloed die een zeer dichte metalen plaat kan hebben op de manier waarop deze materialen licht uitstralen.

Om ervoor te zorgen dat deze materialen bruikbaar zijn in apparaten zoals fotonische chips - die zijn als halfgeleiderchips maar hun bewerkingen uitvoeren met licht in plaats van elektronen - "is de uitdaging om ze snel aan en uit te kunnen zetten, "wat voorheen niet mogelijk was, zegt Fan.

Met het metalen substraat in de buurt, de responstijd voor de lichtemissie daalde van 60 picoseconden (biljoensten van een seconde) naar slechts 2 picoseconden, Fang zegt:"Dit is best spannend, omdat we dit effect zelfs hebben waargenomen wanneer het materiaal 5 tot 10 nanometer verwijderd is van het oppervlak, " met een tussenlaag van polymeer ertussen. Dat is genoeg van een scheiding dat het vervaardigen van dergelijke gepaarde materialen in hoeveelheid geen al te veeleisend proces zou moeten zijn. "Dit is iets waarvan we denken dat het kan worden aangepast aan rol-naar-rol printen, " hij zegt.

Indien gebruikt voor signaalverwerking, zoals het verzenden van gegevens door licht in plaats van radiogolven, Fang zegt, deze vooruitgang zou kunnen leiden tot een datatransmissiesnelheid van ongeveer 40 gigahertz, dat is acht keer sneller dan dergelijke apparaten momenteel kunnen leveren. Dit is "een veelbelovende stap, maar het is nog erg vroeg" wat betreft het vertalen van dat in praktische, maakbare apparaten, waarschuwt hij.

Het team bestudeerde slechts één van de vele soorten moleculaire aggregaten die zijn ontwikkeld, dus er kunnen nog steeds mogelijkheden zijn om nog betere variaties te vinden. "Dit is eigenlijk een zeer rijke familie van lichtgevende materialen, "zegt Fang.

Omdat het reactievermogen van het materiaal zo sterk wordt beïnvloed door de exacte nabijheid van het nabijgelegen metalen substraat, dergelijke systemen zouden ook kunnen worden gebruikt voor zeer nauwkeurige meetinstrumenten. "De interactie wordt verminderd als een functie van de spleetgrootte, dus het kan nu worden gebruikt als we de nabijheid van een oppervlak willen meten, "zegt Fang.

Terwijl het team zijn studies van deze materialen voortzet, een volgende stap is het bestuderen van de effecten die patronen van het metalen oppervlak kunnen hebben, aangezien de tests tot nu toe alleen vlakke oppervlakken gebruikten. Andere vragen die moeten worden beantwoord, zijn onder meer het bepalen van de nuttige levensduur van deze materialen en hoe ze kunnen worden verlengd.

Fang zegt dat een eerste prototype van een apparaat dat dit systeem gebruikt, "binnen een jaar of zo" kan worden geproduceerd.