Een multi-universitair onderzoeksteam heeft een nieuwe spectroscopische methode gebruikt om een ​​belangrijk inzicht te krijgen in hoe licht wordt uitgestraald door gelaagde nanomaterialen en andere dunne films.

De techniek, genaamd energie-momentum spectroscopie, stelt onderzoekers in staat om te kijken naar het licht dat uit een dunne film komt en te bepalen of het afkomstig is van emitters die langs het vlak van de film zijn georiënteerd of van emitters die loodrecht op de film zijn georiënteerd. Het kennen van de oriëntaties van emitters zou ingenieurs kunnen helpen om dunnefilmmaterialen in optische apparaten zoals LED's of zonnecellen beter te gebruiken.

Het onderzoek, online gepubliceerd op 3 maart in Natuur Nanotechnologie , was een gezamenlijke inspanning van Brown University, Case Western Reserve Universiteit, Universiteit van Colombia, en de Universiteit van Californië-Santa Barbara.

De nieuwe techniek maakt gebruik van een fundamentele eigenschap van dunne films:interferentie. Interferentie-effecten zijn te zien in de regenboogkleuren die zichtbaar zijn op het oppervlak van zeepbellen of olievlekken. Wetenschappers kunnen analyseren hoe licht constructief en destructief interfereert vanuit verschillende hoeken om conclusies te trekken over de film zelf - hoe dik hij is, bijvoorbeeld. Met deze nieuwe techniek gaat dat soort analyse nog een stap verder voor lichtemitterende dunne films.

"Het belangrijkste verschil in onze techniek is dat we kijken naar zowel de energie als de hoek en polarisatie waaronder licht wordt uitgestraald, " zei Rashid Zia, assistent-professor engineering aan de Brown University en een van de hoofdauteurs van de studie. "We kunnen deze verschillende hoeken in verband brengen met verschillende oriëntaties van zenders in de film. Bij sommige hoeken en polarisaties, we zien alleen de lichtemissie van in-plane zenders, terwijl we bij andere hoeken en polarisaties alleen licht zien dat afkomstig is van emitters buiten het vliegtuig."

De onderzoekers demonstreerden hun techniek op twee belangrijke dunnefilmmaterialen, molybdeendisulfide (MoS2) en PTCDA. Elk vertegenwoordigt een materiaalklasse die veelbelovend is voor optische toepassingen. MoS2 is een tweedimensionaal materiaal vergelijkbaar met grafeen, en PTCDA is een organische halfgeleider. Het onderzoek toonde aan dat lichtemissie van MoS2 alleen plaatsvindt door emitters in het vliegtuig. In PTCDA, licht komt van twee verschillende soorten emitters, een in het vliegtuig en een buiten het vliegtuig.

Zodra de oriëntatie van de zenders bekend is, Zia zegt, het kan mogelijk zijn om gestructureerde apparaten te ontwerpen die die richtingseigenschappen maximaliseren. In de meeste toepassingen, dunnefilmmaterialen worden op elkaar gelaagd. De oriëntaties van emitters in elke laag geven aan of er elektronische excitaties plaatsvinden binnen elke laag of tussen lagen, en dat heeft gevolgen voor hoe zo'n apparaat moet worden geconfigureerd.

"Als je een LED zou maken met behulp van deze gelaagde materialen en je wist dat de elektronische excitaties plaatsvonden over een interface, "Zia zei, "dan is er een specifieke manier waarop je de structuur wilt ontwerpen om al dat licht eruit te krijgen en de algehele efficiëntie te verhogen."

Hetzelfde concept zou van toepassing kunnen zijn op lichtabsorberende apparaten zoals zonnecellen. Door te begrijpen hoe de elektronische excitaties in het materiaal plaatsvinden, het zou mogelijk kunnen zijn om het zo te structureren dat meer binnenkomend licht naar elektriciteit wordt geleid.

"Een van de spannende dingen van dit onderzoek is hoe het mensen met verschillende expertises samenbracht, " Zei Zia. "De expertise van onze groep bij Brown ligt in het ontwikkelen van nieuwe vormen van spectroscopie en het bestuderen van de elektronische oorsprong van lichtemissie. De Kymissis-groep in Columbia heeft veel expertise in organische halfgeleiders, en de Shan-groep van Case Western heeft veel expertise in gelaagde nanomaterialen. Jon Schuller, de eerste auteur van de studie, heeft geweldig werk verricht door al deze expertise samen te brengen. Jon was een bezoekende wetenschapper hier bij Brown, een postdoctoraal onderzoeker in het Energy Frontier Research Center in Columbia, en is nu een professor aan de UCSB."