Nanofotonica beschouwt hoe licht en materie op nanoschaal met elkaar interageren, met bevindingen in het veld die belangrijk zijn voor nanofabricagetechnieken en in toekomstige fotonische apparaten. Tot voor kort, metalen nanodeeltjes zijn voornamelijk gebruikt in nanofotonische apparaten. Tegenwoordig echter, halfgeleidermaterialen zoals silicium worden overwogen voor de nanodeeltjes.

Onderzoekers van de Technische Universiteit Eindhoven (TU/e) en de Universiteit van Kyoto hebben twee belangrijke papers gepubliceerd met betrekking tot nanofotonische configuraties op basis van silicium. Ter gelegenheid van de Internationale Dag van het Licht 2020, een papier, gepubliceerd in het tijdschrift ACS Fotonica , is het afgelopen jaar verkozen tot een van de top papers op het gebied van fotonica.

Het gebied van nanofotonica houdt rekening met de interactie van nanodeeltjes met licht wanneer de nanodeeltjesgrootte ongeveer hetzelfde is als de golflengte van het licht. Beheersing van deze zogenaamde resonantierespons kan positieve implicaties hebben voor de ontwikkeling van nieuwe nanofabricagetechnieken en voor praktische toepassingen zoals het verbeteren van de efficiëntie van zonnecellen en LED's en fotodetectorgevoeligheden.

Focus verschoven naar silicium

historisch, de nanofotonica-gemeenschap gebruikte metalen nanodeeltjes, waar vrije ladingen in de deeltjes oscilleren na interactie met het elektrische veld van de inkomende elektromagnetische golf (licht). In recente jaren, de focus is verschoven naar nanodeeltjes gemaakt van halfgeleidermaterialen, zoals silicium, waar het licht interageert met elektronen gebonden aan het atoom, in tegenstelling tot gratis kosten. Wat betreft metalen nanodeeltjes, interacties tussen licht en halfgeleider nanodeeltjes kunnen een oscillerende of resonerende respons vertonen.

Onderzoekers van het Instituut voor Fotonische Integratie (IPI) en het Departement Toegepaste Natuurkunde onder leiding van Prof. Jaime Gómez Rivas, in samenwerking met de Universiteit van Kyoto, onderzoeken actief het gebruik van halfgeleider nanostructuur voor nanofotonica. Onlangs, ze publiceerden twee belangrijke bevindingen in de tijdschriften Geavanceerde optische materialen en ACS Fotonica .

Sterke koppeling tussen organische materialen en silicium nanodeeltjes

Een nieuwe onderzoeksrichting heeft betrekking op het sterke koppelingsregime, waar interacties tussen licht en de materialen van nanodeeltjes sterk genoeg zijn om de fundamentele eigenschappen van het materiaal te veranderen. In feite, er ontstaat een hybridisatie waarbij materie enkele lichteigenschappen aanneemt en het licht enkele van de materieeigenschappen aanneemt. Wanneer organische materialen worden gebruikt in opto-elektronische apparaten, een belangrijk punt is de degradatie van de materialen wanneer ze worden verlicht en de korte afstand waarover ladingen zich kunnen voortplanten. Een sterke koppeling zou helpen om deze negatieve effecten te beperken.

In hun eerste paper die is gepubliceerd in ACS Fotonica , Gabriel Castellanos en collega's bereikten een sterke koppeling voor zowel elektrische als magnetische oscillaties tussen organische materialen en arrays van polykristallijne siliciumnanodeeltjes. Deze bevinding maakt de weg vrij voor het gebruik van op silicium gebaseerde materialen in opto-elektronische organische apparaten, wat kan leiden tot verbeterde prestaties. Ter gelegenheid van de Internationale Dag van het Licht (16 mei 2020), dit artikel is geselecteerd door het tijdschrift ACS Fotonica , die wordt uitgegeven door de American Chemical Society, als een van de 24 meest relevante papers op het gebied van fotonica tussen mei 2019 en mei 2020.

Verbeterde lichtemissie

In het tweede blad Shunsuke Murai en collega's toonden aan dat regelmatige arrays van polykristallijne silicium nanodeeltjes (verschillende vormen en maten) die aan elkaar gekoppeld zijn elektrische en magnetische oscillaties kunnen isoleren. Als resultaat, wanneer kleurstofmoleculen zich dicht bij de arrays bevinden, sterkere koppeling tussen de kleurstofmoleculen en de silicium nanodeeltjes-arrays resulteert in een verbeterde emissie van licht door de moleculen. Bijvoorbeeld, een 20-voudige verbetering wordt waargenomen in bepaalde richtingen wanneer gekoppeld aan het elektrische veld van nanodeeltjesarrays, terwijl er een vijfvoudige verbetering ontstaat wanneer er koppeling is met het magnetische veld. Dit kan gevolgen hebben voor het ontwerp van toekomstige LED's.