Een nieuwe methode voor het bouwen van "ophaalbruggen" tussen metalen nanodeeltjes kan elektronicafabrikanten in staat stellen om full-color displays te bouwen met behulp van lichtverstrooiende nanodeeltjes die vergelijkbaar zijn met de gouden materialen die middeleeuwse ambachtslieden gebruikten om rood glas in lood te maken.

"Zou het niet interessant zijn als we glas-in-loodramen konden maken die met een druk op de knop van kleur veranderen?" zei Christy Landes, universitair hoofddocent scheikunde bij Rice en de hoofdonderzoeker van een nieuwe studie over de ophaalbrugmethode die deze week verschijnt in het open-access tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang .

Het onderzoek door Landes en andere experts van het Smalley-Curl Institute van Rice University zou ingenieurs in staat kunnen stellen om standaard elektrische schakeltechnieken te gebruiken om kleurendisplays te maken van paren nanodeeltjes die verschillende kleuren licht verspreiden.

Eeuwenlang, glas-in-loodmakers hebben gebruik gemaakt van de lichtverstrooiende eigenschappen van kleine gouden nanodeeltjes om glas te produceren met rijke rode tinten. Soortgelijke soorten materialen kunnen in toenemende mate worden gebruikt in moderne elektronica, aangezien fabrikanten werken aan het maken van kleinere, snellere en energiezuinigere componenten die werken op optische frequenties.

Hoewel metalen nanodeeltjes helder licht verstrooien, onderzoekers vonden het moeilijk om ze over te halen om dramatisch verschillende kleuren te produceren, aldus Landes.

De nieuwe ophaalbrugmethode van Rice voor kleuromschakeling omvat metalen nanodeeltjes die lichtenergie absorberen en omzetten in plasmonen, golven van elektronen die als een vloeistof over het oppervlak van een deeltje stromen. Elk plasmon verstrooit en absorbeert een karakteristieke lichtfrequentie, en zelfs kleine veranderingen in het golfachtige geklots van een plasmon verschuiven die frequentie. Hoe groter de verandering in plasmonfrequentie, hoe groter het verschil tussen de waargenomen kleuren.

"Ingenieurs die een display willen maken van optisch actieve nanodeeltjes, moeten de kleur kunnen veranderen, "Zei Landes. "Dat soort omschakeling is zeer moeilijk te bereiken met nanodeeltjes gebleken. Mensen hebben matig succes behaald met behulp van verschillende plasmon-koppelingsschema's in deeltjesassemblages. Wat we echter hebben laten zien, is een variatie van het koppelingsmechanisme zelf, die kan worden gebruikt om zowel snel als omkeerbaar enorme kleurveranderingen te produceren."

Om de methode te demonstreren, Landes en hoofdauteur Chad Byers, een afgestudeerde student in haar lab, verankerde paren gouden nanodeeltjes op een glazen oppervlak bedekt met indiumtinoxide (ITO), dezelfde geleider die in veel smartphoneschermen wordt gebruikt. Door de deeltjes af te sluiten in een kamer gevuld met een zoutwaterelektrolyt en een zilverelektrode, Byers en Landes konden een apparaat vormen met een compleet circuit. Vervolgens toonden ze aan dat ze een kleine spanning op de ITO konden toepassen om zilver op het oppervlak van de gouddeeltjes te galvaniseren. In dat proces, de deeltjes werden eerst bekleed met een dunne laag zilverchloride. Door later een negatieve spanning aan te leggen, de onderzoekers veroorzaakten de vorming van een geleidende zilveren "ophaalbrug". Door het omkeren van de spanning trok de brug zich terug.

"Het mooie van deze chemische bruggen is dat we ze kunnen creëren en elimineren door simpelweg een spanning aan te leggen of om te keren, Landes zei. "Dit is de eerste methode die tot nu toe is aangetoond om dramatische, omkeerbare kleurveranderingen voor apparaten die zijn gemaakt van door licht geactiveerde nanodeeltjes."

Byers zei dat zijn onderzoek naar het plasmonische gedrag van gouddimeren ongeveer twee jaar geleden begon.

"We streefden naar het idee dat we significante veranderingen konden aanbrengen in de optische eigenschappen van individuele deeltjes door simpelweg de ladingsdichtheid te veranderen, " zei hij. "De theorie voorspelt dat kleuren kunnen worden veranderd door alleen elektronen toe te voegen of te verwijderen, en we wilden zien of we dat omkeerbaar konden doen, gewoon door een spanning aan of uit te zetten."

De experimenten werkten. De kleurverschuiving werd waargenomen en omkeerbaar, maar de verandering in de kleur was miniem.

"Het zou niemand enthousiast maken over enige vorm van schakelbare display-applicaties, ' zei Landes.

Maar zij en Byers merkten ook dat hun resultaten afweken van de theoretische voorspellingen.

Landes zei dat dat kwam omdat de voorspellingen waren gebaseerd op het gebruik van een inerte elektrode gemaakt van een metaal zoals palladium dat niet onderhevig is aan oxidatie. Maar zilver is niet inert. Het reageert gemakkelijk met zuurstof in lucht of water om een ​​laag lelijk zilveroxide te vormen. Deze oxiderende laag kan ook ontstaan ​​uit zilverchloride, en Landes zei dat dat gebeurde toen de zilveren tegenelektrode werd gebruikt in de eerste experimenten van Byers.

"Het was een onvolkomenheid die onze resultaten verpestte, maar in plaats van ervoor weg te lopen, we besloten het in ons voordeel te gebruiken, ' zei Landes.

Rijstplasmonics pionier en studie co-auteur Naomi Halas, directeur van het Smalley-Curl Instituut, zei dat het nieuwe onderzoek laat zien hoe plasmonische componenten kunnen worden gebruikt om elektronisch schakelbare kleurendisplays te produceren.

"Gouden nanodeeltjes zijn bijzonder aantrekkelijk voor weergavedoeleinden, " zei Halas, Rice's Stanley C. Moore hoogleraar elektrische en computertechniek en hoogleraar scheikunde, bio-engineering, natuurkunde en sterrenkunde, en materiaalkunde en nano-engineering. "Afhankelijk van hun vorm, ze kunnen een verscheidenheid aan specifieke kleuren produceren. Ze zijn ook extreem stabiel, en ook al is goud duur, er is heel weinig nodig om een ​​extreem heldere kleur te produceren."

Bij het ontwerpen, testen en analyseren van de vervolgexperimenten op dimeren, Landes en Byers gingen in gesprek met een brain trust van Rice plasmonics-experts, waaronder Halas, natuurkundige en ingenieur Peter Nordlander, scheikundige Stephan Link, materiaalwetenschapper Emilie Ringe en hun studenten, evenals Paul Mulvaney van de Universiteit van Melbourne in Australië.

Samen, het team bevestigde de samenstelling en afstand van de dimeren en liet zien hoe metalen ophaalbruggen kunnen worden gebruikt om grote kleurverschuivingen te veroorzaken op basis van spanningsingangen.

Nordlander en Hui Zhang, de twee theoretici in de groep, onderzocht de "plasmonische koppeling van het apparaat, " de interactieve dans die plasmons aangaan wanneer ze in nauw contact staan. Bijvoorbeeld, Van plasmonische dimeren is bekend dat ze werken als door licht geactiveerde condensatoren, en eerder onderzoek heeft aangetoond dat het verbinden van dimeren met nanodraadbruggen een nieuwe staat van resonantie teweegbrengt die bekend staat als een "ladingsoverdrachtsplasmon, " die zijn eigen kenmerkende optische signatuur heeft.

"De elektrochemische overbrugging van de kloof tussen de deeltjes maakt een volledig omkeerbare overgang mogelijk tussen twee plasmonische koppelingsregimes, de ene capacitief en de andere geleidend, " zei Nordlander. "De verschuiving tussen deze regimes blijkt uit de dynamische evolutie van het ladingsoverdrachtsplasmon."

Halas zei dat de methode plasmonische onderzoekers een waardevol hulpmiddel biedt voor het nauwkeurig regelen van de openingen tussen dimeren en andere plasmonconfiguraties met meerdere deeltjes.

"In toegepaste zin gap-controle is belangrijk voor de ontwikkeling van actieve plasmonische apparaten zoals schakelaars en modulatoren, maar het is ook een belangrijk hulpmiddel voor fundamentele wetenschappers die door nieuwsgierigheid gedreven onderzoek doen in het opkomende gebied van kwantumplasmonica."