Onderzoekers van Rice University hebben een nieuwe manier ontdekt om ultragevoelige geleidbaarheidsmetingen te doen bij optische frequenties op elektronische componenten op nanoschaal met hoge snelheid.

Het onderzoek van Rice's Laboratory for Nanophotonics (LANP) wordt online beschreven in een nieuwe studie in het tijdschrift van de American Chemical Society ACS Nano . In een reeks experimenten, LANP-onderzoekers koppelden paren puckvormige metalen nanoschijven aan metalen nanodraden en toonden aan hoe de stroom van stroom bij optische frequenties door de nanodraden "ladingsoverdrachtplasmonen" produceerde met unieke optische handtekeningen.

"De druk om de snelheid van microchipcomponenten voortdurend te verhogen, heeft ertoe geleid dat onderzoekers kijken naar apparaten en componenten op nanoschaal die werken op optische frequenties voor elektronica van de volgende generatie, " zei LANP-directeur Naomi Halas, de hoofdwetenschapper van het onderzoek. "Het is niet goed bekend hoe deze materialen en componenten werken bij extreem hoge lichtfrequenties, en de nieuwe techniek van LANP biedt een manier om de elektrische transporteigenschappen van nanomaterialen en structuren bij deze extreem hoge frequenties te meten."

Halas is Stanley C. Moore van Rice, hoogleraar elektrische en computertechnologie en hoogleraar scheikunde, bio-engineering, natuurkunde en sterrenkunde, en materiaalkunde en nano-engineering. Haar lab is gespecialiseerd in de studie van nanodeeltjes die interageren met licht. Bijvoorbeeld, sommige metalen nanodeeltjes zetten licht om in plasmonen, golven van elektronen die als een vloeistof over het oppervlak van het deeltje stromen. In tientallen onderzoeken in de afgelopen twee decennia, LANP-onderzoekers hebben de basisfysica van plasmonica verkend en laten zien hoe plasmonische interacties kunnen worden benut voor uiteenlopende toepassingen zoals medische diagnostiek, kankerbehandeling, het verzamelen van zonne-energie en optische computers.

Een type plasmonische interactie dat het team van Halas lang heeft bestudeerd, is plasmonische koppeling, een soort interactiedans die plasmonen aangaan wanneer twee of meer plasmonische deeltjes zich dicht bij elkaar bevinden. Bijvoorbeeld, wanneer twee puck-vormige plasmonische nanodisks zich dicht bij elkaar bevinden, ze gedragen zich als een kleine, licht-geactiveerde condensator. Wanneer een geleidende draad wordt gebruikt om de twee te overbruggen, hun plasmon-energieën veranderen en een nieuwe resonantie genaamd een "ladingsoverdracht" plasmon, verschijnt op een bepaalde frequentie.

In het nieuwe onderzoek hoofdauteur van de studie Fangfang Wen, een afgestudeerde Rice-student aan het LANP, onderzocht de optische eigenschappen van paren overbrugde nanodisks. Toen ze plasmonen creëerde in de paren, ze observeerde de lading die met optische frequenties heen en weer langs de draden vloeide. Bij het onderzoeken van de ladingsoverdrachtplasmonen in deze paren, ze ontdekte dat de elektrische stroom die over de kruising vloeide een karakteristieke optische signatuur introduceerde.

"In het geval dat er een geleidende draad aanwezig was in de kruising, we zagen een optische handtekening die heel anders was dan de kast zonder draad, " Zei Wen. Wen zette vervolgens een reeks experimenten op waarbij ze de breedte en vorm van de overbruggende nanodraden varieerde en deze metingen herhaalde voor nanodraden van twee verschillende metalen, goud en aluminium.

Deze experimenten brachten twee belangrijke bevindingen aan het licht. Eerst, aan de onderkant van de conductantieschaal, ze ontdekte dat zelfs de kleinste veranderingen in geleidbaarheid resulteerden in opmerkelijke optische verschuivingen - een bevinding die met name interessant zou kunnen zijn voor moleculaire elektronica-onderzoekers die geïnteresseerd zijn in het meten van geleidbaarheid in structuren zo klein als een enkel molecuul.

"We ontdekten ook dat ons platform een ​​andere optische handtekening gaf in gevallen waarin het geleidingsniveau hetzelfde was, maar het verbindingsmateriaal anders was, Wen zei. "Als we nanodraden hadden met dezelfde geleiding die van verschillende materialen waren gemaakt, we zagen een andere optische handtekening. Als we hetzelfde materiaal zouden gebruiken, met verschillende geometrieën, we zagen dezelfde handtekening."

Deze specificiteit en herhaalbaarheid kunnen ook nuttig zijn voor onderzoekers die deze benadering willen gebruiken om de geleiding van nanodraden te identificeren, of andere elektronische componenten op nanoschaal, bij optische frequenties. "De optische frequentiegeleiding van de meeste materialen is niet bekend, " zei ze. "Dit biedt een nuttige en praktische methode om deze eigenschap te meten.

"Om de omvang van elektronica te verkleinen, zelfs tot buiten de huidige grenzen, wetenschappers willen elektronenoverdracht door een enkel molecuul bestuderen, vooral bij extreem hoge, zelfs optische frequenties, " Zei Wen. "Dergelijke veranderingen kunnen niet worden gemeten met behulp van standaard elektronische apparaten of instrumenten die werken op microgolffrequenties. Ons onderzoek biedt een nieuw platform voor het meten van geleiding op nanoschaal bij optische frequenties."

Als erkenning van het potentieel van het onderzoek om "het leven van mensen te verbeteren door de transformerende kracht van chemie, " de American Chemical Society heeft van de krant een ACS Editors' Choice gemaakt en maakt deze gratis online toegankelijk voor het publiek.