(Phys.org) — Door de plasmonische eigenschappen van bescheiden aluminium kan het voor bepaalde toepassingen veel waardevoller zijn dan goud en zilver, volgens nieuw onderzoek door wetenschappers van Rice University.

Omdat aluminium, als nanodeeltjes of nanostructuren, geeft optische resonanties weer over een veel breder gebied van het spectrum dan goud of zilver, het kan een goede kandidaat zijn voor het oogsten van zonne-energie en voor andere optische apparaten en materialen met een groot oppervlak die te duur zouden zijn om te produceren met edele of muntmetalen.

Tot voor kort, aluminium werd om verschillende redenen nog niet als nuttig beschouwd voor plasmonische toepassingen:het oxideert van nature, en sommige studies hebben dramatische discrepanties aangetoond tussen de resonerende "kleur" van gefabriceerd nanogestructureerd aluminium en theoretische voorspellingen.

Het gecombineerde werk van twee Rice-labs heeft elk van deze hindernissen aangepakt in een paar nieuwe publicaties.

Een paper van de laboratoria van Rice-wetenschappers Naomi Halas en Peter Nordlander, "Aluminium voor Plasmonics, " toont aan dat de kleur van aluminium nanodeeltjes niet alleen afhangt van hun grootte en vorm, maar ook kritisch op hun oxidegehalte. Ze hebben aangetoond dat, in feite, de kleur van een aluminium nanodeeltje geeft direct bewijs van de mate van oxidatie van het aluminiummateriaal zelf. Het artikel verschijnt in het tijdschrift American Chemical Society (ACS) ACS Nano .

De productie van puur aluminium nanodeeltjes is een wegversperring geweest in hun ontwikkeling voor plasmonica, maar het Halas-lab creëerde een reeks schijfvormige deeltjes met een diameter van 70 tot 180 nanometer om hun eigenschappen te testen. De onderzoekers ontdekten dat terwijl de plasmonen van gouden nanodeeltjes resoneren in zichtbare golflengten van 550 tot 700 nanometer en zilver van 350 tot 700, aluminium kan tot in het ultraviolet reiken, tot ongeveer 200 nanometer.

De laboratoria karakteriseerden ook het verzwakkende effect van natuurlijk voorkomende maar zelfpassiverende oxidatie op aluminiumoppervlakken. "Voor ijzer, roest gaat er dwars doorheen, " zei Nordlander. "Maar voor puur aluminium, het oxide is zo hard en ondoordringbaar dat als je eenmaal een vel oxide van drie nanometer hebt gevormd, het proces stopt." Om het te bewijzen, de onderzoekers lieten hun schijven drie weken blootgesteld aan de open lucht voordat ze opnieuw testten en vonden hun reactie onveranderd.

"De reden dat we goud en zilver gebruiken in nanowetenschap is dat ze niet oxideren. Maar uiteindelijk, met aluminium, de natuur heeft ons iets gegeven dat we kunnen exploiteren, ' zei Nordlander.

Het tweede artikel van Nordlander en zijn groep voorspelt kwantumeffecten in plasmonisch aluminium die sterker zijn dan die in een analoge goudstructuur in de vorm van een nanomatryushka, meerlagige nanodeeltjes genoemd naar de beroemde Russische nestpoppen. Nordlander ontdekte dat de kwantummechanische effecten in deze materialen sterk verband houden met de grootte van de opening tussen de schaal en de kern. Het artikel verscheen onlangs in het ACS-tijdschrift Nano-letters .

"Behalve dat het een goedkoop en afstembaar materiaal is, het vertoont kwantummechanische effecten bij grotere, toegankelijker en nauwkeuriger bereiken dan goud of zilver, "Zei Nordlander. "We zien dit als een fundamenteel document."

Nordlander gebruikte computersimulaties om de discrepanties tussen klassieke elektromagnetisme en kwantummechanica te onderzoeken, en precies waar de twee theorieën uiteenlopen in zowel gouden als aluminium nanomatryushka's. "Aluminium vertoont veel meer kwantumgedrag bij een gegeven spleetgrootte dan goud, " zei hij. "Eigenlijk voor zeer kleine openingen, alles is in het kwantumrijk (waar subatomaire krachten heersen), maar als je de kloof groter maakt, het systeem wendt zich tot de klassieke natuurkunde."

door kleine, Nordlander betekent ruim onder een enkele nanometer (een miljardste van een meter). Met de opening tussen kern en schaal in een gouden nanomatryushka van ongeveer een halve nanometer, hij en hoofdauteur Vikram Kulkarni, een afgestudeerde Rice-student, ontdekte dat elektronen het vermogen kregen om van de ene laag naar de andere in het nanodeeltje te tunnelen. Een 50 procent grotere opening in aluminium zorgde voor hetzelfde kwantumeffect. In beide gevallen, kwantumtunneling door de opening liet plasmonen resoneren alsof de kern en de schaal een enkel deeltje waren, hun reactie aanzienlijk verbeteren.

De berekeningen zouden van groot belang moeten zijn voor degenen die nanodeeltjes gebruiken als sondes in Raman-spectroscopie, waar kwantumtunneling tussen deeltjes elektrische velden kan dempen en klassieke berekeningen kan verstoren, hij zei.

Nordlander merkte op dat het algoritme van Kulkarni het team in staat stelde een van de grootste kwantumplasmonische berekeningen ooit uit te voeren. Ze gebruikten de kracht van de BlueBioU-supercomputer van Rice om een ​​enorm aantal elektronen te volgen. "Het is gemakkelijk om twee kinderen bij te houden, maar stel je voor dat je meer dan een miljoen had, " hij zei.

Hoofdauteurs van "Aluminum for Plasmonics" zijn Rice afgestudeerde studenten Mark Knight en Nicholas King. Co-auteurs zijn onder meer afgestudeerde student Lifei Liu en Henry Everitt, een hoofdwetenschapper bij het Charles Bowden Research Lab van het Amerikaanse leger, Redstone-arsenaal, Helaas, en een adjunct-professor aan de Duke University. Het onderzoek werd ondersteund door de Robert A. Welch Foundation, de National Security Science and Engineering Faculty Fellowship, het Air Force Office of Scientific Research, het Major Research Instrumentation Program van de National Science Foundation, het in-house laboratoriumonafhankelijke onderzoeksprogramma van het leger en het onderzoeksbureau van het leger.

Rijst-alumnus Emil Prodan, een assistent-professor natuurkunde aan de Yeshiva University, New York, is co-auteur van "Quantum Plasmonics:Optical Properties of a Nanomatryushka."