Wat als op een dag, jouw computer, TV of smartphone kunnen gegevens verwerken met lichtgolven in plaats van elektrische stroom, die apparaten sneller maken, goedkoper en duurzamer door minder warmte- en stroomverbruik? Dat is slechts één mogelijkheid die ooit zou kunnen voortvloeien uit een internationale onderzoekssamenwerking die onderzoekt hoe de prestaties van plasmonische apparaten kunnen worden verbeterd.

Het onderzoek onder leiding van Masoud Kaveh-Baghbadorani, een doctoraalstudent aan de afdeling Natuurkunde van de Universiteit van Cincinnati, wordt op 5 maart gepresenteerd op de American Physical Society Meeting in San Antonio, Texas.

De onderzoekers onderzoeken de manipulatie van licht in plasmonische nanostructuren met behulp van de defasering en populatiedynamica van elektron-gat-paren in met metaal beklede, core-shell halfgeleider nanodraden. De techniek zou energieverlies en warmteproductie minimaliseren. Het onderzoek richt zich op het geleiden van licht door nanometer dikke metaalfilms – zo’n duizend keer dunner dan een mensenhaar – om licht te verspreiden met plasmongolven, een cumulatieve elektronenoscillatie.

Plasmonics is een opkomend onderzoeksgebied, maar het heeft beperkingen als gevolg van hoge weerstandsverliezen in de metaalfilms. Kaveh-Baghbadorani heeft de ontwikkeling onderzocht van hybride metaal/organische halfgeleider nanodraden die werken als een energiepomp om energieverliezen in de metaalcoating te compenseren.

"We hebben dit geprobeerd met een legering van zilver, nu proberen we het met goud. Het doel is om beter te begrijpen en te proberen te modelleren hoe energie wordt overgedragen van de halfgeleider nanodraad naar het metaal. Er zijn hier veel verschillende variabelen om deze energieoverdracht of energiekoppeling beter te begrijpen, " legt Kaveh-Baghbadorani uit. "We werken aan het verbeteren van de koppeling tussen de halfgeleider nanodraden en de metalen coating."

Naast het gebruik van een ander metaal, de onderzoekers gebruiken ook een verticale uitlijning van nanodraadstructuren. Ze ontwikkelden ook een methode om de nanodraden volledig te omringen met lagen van 10 nanometer dikke goudfilms. Een ingebracht organisch materiaal werkt als een afstandslaag om de energieoverdracht van de nanodraad naar het metaal te regelen.

"Het metaal resulteert in hoge weerstandsverliezen, " legt co-onderzoeker Hans Peter-Wagner uit, een UC hoogleraar natuurkunde en adviseur van Kaveh-Baghbadorani. "We willen deze verliezen overwinnen door energie uit nanodraad-excitonen te pompen, of elektronische excitaties, in het metaal. Dit is de reden waarom we dit onderzoek doen."

Het onderzoek onderzoekt ook het effect van het gebruik van verschillende organische afstandslaagdiktes op de energiekoppeling.

"Als we verschillende organische materialen gebruiken in de plasmonische structuur, we kunnen de levensduur van aangeslagen ladingsdragers verlengen, daarom kunnen ze langer in de structuur reizen voordat ze door het metaal worden gevangen, ", zegt Kaveh-Baghbadorani. "Door de dikte van de organische spacer te veranderen, we kunnen het proces van energieoverdracht controleren."

Toekomstige toepassingen kunnen snellere en verbeterde prestaties van computers en andere slimme elektronische apparaten omvatten, zonnecellen of zelfs leiden tot een superlens die resulteert in een enorme verbetering van de huidige generatie microscopen. "We zijn nog lang niet aan het einde van mogelijke toepassingen voor dit onderzoek en denken voortdurend aan nieuwe toepassingen. Het onderzoeksveld is extreem rijk, er is geen einde in zicht, ’ zegt Wagner.