Met zijn belofte van supersnelle computers en ultrakrachtige optische microscopen tussen de vele mogelijkheden, plasmonica is een van de populairste gebieden in hightech geworden. Echter, tot op heden zijn plasmonische eigenschappen beperkt tot nanostructuren met interfaces tussen edele metalen en diëlektrica. Nutsvoorzieningen, onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben aangetoond dat plasmonische eigenschappen ook kunnen worden bereikt in de halfgeleider nanokristallen die bekend staan ​​als quantum dots. Deze ontdekking zou het veld van plasmonica nog heter moeten maken.

"We hebben goed gedefinieerde gelokaliseerde oppervlakteplasmonresonanties aangetoond die voortkomen uit p-type dragers in leeggedoteerde halfgeleiderkwantumdots die plasmonische detectie en manipulatie van solid-state processen in enkele nanokristallen mogelijk moeten maken, " zegt Berkeley Lab-directeur Paul Alivisatos, een nanochemie-autoriteit die dit onderzoek leidde. "Onze gedoteerde halfgeleiderkwantumdots openen ook de mogelijkheid om fotonische en elektronische eigenschappen sterk te koppelen, met gevolgen voor licht oogsten, niet-lineaire optica, en kwantuminformatieverwerking."

Alivisatos is de corresponderende auteur van een artikel in het tijdschrift Natuurmaterialen getiteld "Gelokaliseerde oppervlakteplasmonresonanties die voortkomen uit vrije dragers in gedoteerde kwantumstippen." Co-auteur van het papier waren Joseph Luther en Prashant Jain, samen met Trevor Ewers.

De term "plasmonica" beschrijft een fenomeen waarbij de opsluiting van licht in afmetingen kleiner dan de golflengte van fotonen in de vrije ruimte het mogelijk maakt om de verschillende lengteschalen die verband houden met fotonica en elektronica in een enkel apparaat op nanoschaal te matchen. Wetenschappers zijn van mening dat het door middel van plasmonica mogelijk moet zijn om computerchip-interconnecties te ontwerpen die veel grotere hoeveelheden gegevens veel sneller kunnen verplaatsen dan de huidige chips. Het moet ook mogelijk zijn om microscooplenzen te maken die objecten op nanoschaal kunnen oplossen met zichtbaar licht, een nieuwe generatie zeer efficiënte light-emitting diodes, en supergevoelige chemische en biologische detectoren. Er zijn zelfs aanwijzingen dat plasmonische materialen kunnen worden gebruikt om licht rond een object te buigen, waardoor dat object onzichtbaar wordt.

Het plasmonische fenomeen werd ontdekt in nanostructuren op de grensvlakken tussen een edelmetaal, zoals goud of zilver, en een diëlektricum, zoals lucht of glas. Door een elektromagnetisch veld op zo'n interface te richten, worden elektronische oppervlaktegolven gegenereerd die door de geleidingselektronen op een metaal rollen, als rimpelingen die zich uitspreiden over het oppervlak van een vijver die met een steen is bedolven. Net zoals de energie in een elektromagnetisch veld wordt gedragen in een gekwantiseerde deeltjesachtige eenheid die een foton wordt genoemd, de energie in zo'n elektronische oppervlaktegolf wordt gedragen in een gekwantiseerde deeltjesachtige eenheid die een plasmon wordt genoemd. De sleutel tot plasmonische eigenschappen is wanneer de oscillatiefrequentie tussen de plasmonen en de invallende fotonen overeenkomt, een fenomeen dat bekend staat als gelokaliseerde oppervlakteplasmonresonantie (LSPR). Conventionele wetenschappelijke wijsheid heeft geoordeeld dat LSPR's een metalen nanostructuur vereisen, waarbij de geleidingselektronen niet sterk gehecht zijn aan individuele atomen of moleculen. Dit is niet het geval gebleken als Prashant Jain, een lid van de Alivisatos-onderzoeksgroep en een van de hoofdauteurs van het Nature Materials-artikel, verklaart.

"Onze studie vertegenwoordigt een paradigmaverschuiving van metalen nanoplasmonics, omdat we hebben aangetoond dat, in principe, elke nanostructuur kan LSPR's vertonen zolang de interface een aanzienlijk aantal gratis ladingsdragers heeft, ofwel elektronen of gaten, " zegt Jain. "Door LSPR's aan te tonen in gedoteerde kwantumstippen, we hebben het assortiment kandidaatmaterialen voor plasmonica uitgebreid met halfgeleiders, en we hebben ook het veld van plasmonische nanostructuren samengevoegd, die afstembare fotonische eigenschappen vertonen, met het veld van kwantumstippen, die afstembare elektronische eigenschappen vertonen."

Jain en zijn co-auteurs maakten hun kwantumstippen van het halfgeleider kopersulfide, een materiaal waarvan bekend is dat het talrijke koperdeficiënte stoichiometrieën ondersteunt. aanvankelijk, de kopersulfide-nanokristallen werden gesynthetiseerd met behulp van een gebruikelijke hete injectiemethode. Hoewel dit nanokristallen opleverde die intrinsiek zelf-gedoteerd waren met p-type ladingsdragers, er was geen controle over de hoeveelheid leges of vervoerders.

"We waren in staat om deze beperking te overwinnen door een ionenuitwisselingsmethode bij kamertemperatuur te gebruiken om de kopersulfide-nanokristallen te synthetiseren, "zegt Jain. "Hierdoor bevriezen de nanokristallen in een relatief lege toestand, die we vervolgens op een gecontroleerde manier kunnen dopen met behulp van gewone chemische oxidanten."

Door voldoende gratis elektrische ladingdragers te introduceren via doteringen en vacatures, Jain en zijn collega's waren in staat om LSPR's te bereiken in het nabij-infrarode bereik van het elektromagnetische spectrum. De uitbreiding van plasmonica naar zowel halfgeleiders als metalen biedt een aantal belangrijke voordelen, zoals Jain uitlegt.

"In tegenstelling tot een metaal, de concentratie van vrije ladingsdragers in een halfgeleider kan actief worden gecontroleerd door doping, temperatuur, en/of faseovergangen, "zegt hij. "Daarom, de frequentie en intensiteit van LSPR's in
doopbare quantum dots kunnen dynamisch worden afgestemd. De LSPR's van een metaal, anderzijds, eenmaal ontwikkeld door een keuze aan nanostructuurparameters, zoals vorm en grootte, is permanent opgesloten."

Jain stelt zich voor dat kwantumdots worden geïntegreerd in een verscheidenheid aan toekomstige op film en chips gebaseerde fotonische apparaten die actief kunnen worden geschakeld of bestuurd, en wordt ook toegepast op optische toepassingen zoals in vivo beeldvorming. In aanvulling, de sterke koppeling die mogelijk is tussen fotonische en elektronische modi in dergelijke gedoteerde kwantumdots biedt een opwindend potentieel voor toepassingen in fotovoltaïsche zonne-energie en kunstmatige fotosynthese

"In fotovoltaïsche en kunstmatige fotosynthetische systemen, licht moet worden geabsorbeerd en gekanaliseerd om energetische elektronen en gaten te genereren, die vervolgens kunnen worden gebruikt om elektriciteit of brandstof te maken, " zegt Jain. "Om efficiënt te zijn, het is zeer wenselijk dat dergelijke systemen een verbeterde interactie van licht met excitonen vertonen. Dit is wat een gedoteerde quantum dot met een LSPR-modus zou kunnen bereiken."

Het potentieel voor sterk gekoppelde elektronische en fotonische modi in gedoteerde kwantumdots komt voort uit het feit dat halfgeleiderkwantumdots gekwantiseerde elektronische excitaties (excitonen) mogelijk maken, terwijl LSPR's dienen om licht van specifieke frequenties binnen de kwantumstip sterk te lokaliseren of te beperken. Het resultaat is een verbeterde interactie tussen exciton en licht. Aangezien de LSPR-frequentie kan worden gecontroleerd door het dopingniveau te wijzigen, en excitonen kunnen worden afgestemd door kwantumopsluiting, het zou mogelijk moeten zijn om gedoteerde kwantumstippen te ontwerpen voor het oogsten van de rijkste lichtfrequenties in het zonnespectrum.

Quantum dot plasmonics biedt ook intrigerende mogelijkheden voor toekomstige kwantumcommunicatie- en rekenapparatuur.

"Het gebruik van enkele fotonen, in de vorm van gekwantiseerde plasmonen, zou kwantumsystemen in staat stellen om informatie met bijna de snelheid van het licht te verzenden, vergeleken met de elektronensnelheid en weerstand in klassieke systemen, Jain zegt. "Gedoteerde kwantumstippen door sterk gekoppelde gekwantiseerde excitonen en LSPR's te verschaffen en binnen dezelfde nanostructuur zouden kunnen dienen als een bron van enkelvoudige plasmonen."

Jain en anderen in de onderzoeksgroep van Alivsatos onderzoeken nu het potentieel van gedoteerde kwantumdots gemaakt van andere halfgeleiders, zoals koperselenide en germaniumtelluride, die ook afstembare plasmonische of fotonische resonanties vertonen. Germaniumtelluride is van bijzonder belang omdat het faseveranderingseigenschappen heeft die nuttig zijn voor geheugenopslagapparaten.

"Een doel op lange termijn is om plasmonische verschijnselen te generaliseren naar alle gedoteerde kwantumstippen, of het nu zwaar zelf-gedoteerd is of extrinsiek gedoteerd met relatief weinig onzuiverheden of vacatures, ' zegt Jaïn.