antimoon sulfide, of stibniet (Sb ₂ S ₃ ), is de afgelopen jaren intensief onderzocht als veelbelovend materiaal voor niet-toxische, milieuvriendelijke zonnecellen. Het is nu mogelijk om dunne fotovoltaïsche films te maken van een inkt die nanodeeltjes van stibniet bevat, en om die films nanopatroon te geven voor 2D- en 3D-structuren van vrijwel elke vorm. Zo eenvoudig, kosteneffectieve productiemethoden voldoen aan de voorwaarden voor betrouwbare, wijdverbreid gebruik.

Aangezien stibniet een effectieve halfgeleider is (d.w.z. het heeft een hoge absorptiecoëfficiënt en mobiliteit van de drager), de nanostructuur is veelbelovend als een fotoschakelbaar materiaal voor volledig optische signaalverwerking en computergebruik. Petra Groß, onderzoeker aan het Instituut voor Natuurkunde aan de Universiteit van Oldenburg legt uit, "Verlichting met nabij-infrarood licht, met golflengten waarvoor stibniet grotendeels transparant is, kan resulteren in een ultrasnelle verandering van de brekingsindex. Dit betekent dat een oppervlak met een patroon van stibniet-nanodeeltjes het mogelijk zou kunnen maken om optische eigenschappen zoals reflectie van kleurweergave te veranderen door een infraroodlichtpuls."

Als stibniet-nanostructuren moeten worden gebruikt in schakelbare nano-apparaten, hoge optische kwaliteit is essentieel. Een recente studie gepubliceerd in Geavanceerde fotonica onderzocht de optische eigenschappen van stibniet nanostructuren. De studie toonde aan dat stibniet-nanodots kunnen fungeren als golfgeleiders van hoge optische kwaliteit. Deze vonst, samen met de gemakkelijke 2D- en 3D-structureringsmogelijkheden en interessante optische eigenschappen, wijst op een sterk potentieel voor stibniet-nanostructuren als schakelbare materialen voor toekomstige toepassingen.

Stibniet nanodots

De hoofdauteur van de studie, Jinxin Zhan, is momenteel een doctoraatsstudent in het Near-Field Photonics Laboratory van professor Christoph Lienau aan de Universiteit van Oldenburg. Zhan legt uit dat elektronenmicroscoopbeelden van stibniet wijzen op een nogal oneffen oppervlak. In samenwerking met onderzoekers van de Universiteit van Konstanz, Zhan en haar team wilden de optische eigenschappen van de stibniet-nanostructuur schatten door stibniet-nanodots (400 nm diameter) bovenop een stibniet-oppervlak te onderzoeken.

Zhan zegt, "Zo'n optische inspectie is moeilijk. De grootte van de nanostructuren is meestal kleiner dan de golflengte van zichtbaar licht, zodat spectroscopische metingen typisch alleen worden uitgevoerd op ensembles van verschillende nanostructuren."

Nanodeeltjes focus

Om de moeilijke optische inspectie te bereiken, Zhan en haar team ontwikkelden een nieuw soort near-field spectroscopie die optische studie van afzonderlijke nanodeeltjes mogelijk maakt. Het is gebaseerd op verstrooiing-type scanning near-field optische microscopie (SOM), waarbij een gouden sonde met een scherpe punt met een kromtestraal van ongeveer 10 nm dicht bij het oppervlak van de nanostructuur wordt gebracht en eroverheen wordt gescand. Het licht dat door de punt van de structuur wordt verstrooid, wordt opgevangen door een detector.

Zhan merkt op, "Gebruikelijk, er is veel achtergrondlicht aanwezig, die we onderdrukken door de tip-sample afstand te moduleren en door het verstrooide licht te mengen met een breedband referentielaser. Een monochromator uitgerust met een snelle lijncamera stelt ons in staat om volledige spectra op elke positie te meten tijdens rasterscanning." De spectrale bandbreedte is 200 nm, en de ruimtelijke resolutie is ongeveer 20 nm, zodat het team de optische eigenschappen kan bestuderen, of spectraal opgeloste intensiteitsprofielen, binnen individuele nanodots.

De resulterende kaarten van de stibniet-nanodeeltjes onthulden dat ze fungeren als een hoge brekingsindex, diëlektrische golfgeleiders, ondanks hun onregelmatige oppervlak dat blijkt uit structurele studies. Zhan legt verder uit, "Met onze nieuwe methode we zien modusprofielen over de nanodots die erg lijken op de modusprofielen van geleide golven in optische glasvezels. Een berekening laat zien dat een cilindrische golfgeleider van stibniet met een diameter van 400 nm vier modi zou moeten ondersteunen. Een berekende superpositie van deze vier modi van de laagste orde komt goed overeen met onze experimentele waarneming. Deze modi worden ondersteund over de hele bandbreedte van 200 nm van onze near-field spectroscopiemetingen."

Lienau merkte op dat deze nieuwe techniek een totaal nieuwe manier biedt om minuscule hoeveelheden nanomaterialen te 'zien' en de deur opent naar het bestuderen van de dynamiek van hun optische excitaties op ultrasnelle tijdschalen. Hij zegt, "De spectroscopische techniek ontwikkeld door Jinxin Zhan en Petra Groß is buitengewoon veelbelovend. Nu al, het team heeft lokale lichtverstrooiingsspectroscopie aangetoond met een diepe subgolflengteresolutie en een hoge gevoeligheid. We hebben er alle vertrouwen in dat we de ruimtelijke resolutie snel verder kunnen verbeteren tot enkele nanometers."