Een beetje verdwaald vocht tijdens een experiment gaf wetenschappers een tip over het vreemde gedrag van een complex oxidemateriaal dat ze bestudeerden - wat licht wierp op het potentieel voor het verbeteren van chemische sensoren, computergebruik en informatieopslag. In aanwezigheid van een watermolecuul op het oppervlak, het gelaagde materiaal straalt ultraviolet licht uit van binnenuit. Een team van onderzoekers van de Drexel University, de Universiteit van Pennsylvania, de Universiteit van Californië in Berkeley, en Temple University publiceerden onlangs hun ontdekking dat het mogelijk is om de productie van UV-licht te regelen via een chemische reactie die werkt als het omdraaien van een lichtschakelaar.

Tijdens het bestuderen van een monster van lanthaanaluminaatfilm op een strontinumtitanaatkristal, het team, onder leiding van Drexel College of Engineering Professor Jonathan E. Spanier, Andrew M. Rappe, van Penn; Lane W. Martin, van Berkeley en Temple's Xiaoxing Xi, ontdekte dat het monster intense niveaus van UV-licht begon uit te stralen. Door de experimentele omstandigheden zorgvuldig te reproduceren, realiseerden ze zich dat watermoleculen mogelijk een rol spelen in het UV-licht dat vanuit het materiaal wordt uitgestraald.

"Bij historische ontdekkingen, deze interface tussen twee elektrische isolatoren blijkt een elektrisch geleidende toestand te hebben, een die kan worden veranderd door water op het oppervlak van lanthaanaluminaat, en vertoont ook supergeleidende en ferromagnetische ordening, Spanier zei. "Maar deze ontdekking is heel opmerkelijk omdat we een chemische reactie aan het oppervlak hebben ontdekt die de emissie van licht van de interface binnenin veroorzaakt - en we zijn in staat om het uit en weer aan te zetten. wonderbaarlijk, we kunnen het ook sterker maken door de afstand tussen de moleculen en het oppervlak en de begraven interface te vergroten, door bijvoorbeeld dikkere folies te gebruiken."

Teamleden van Drexel, Berkeley en Temple wendden zich tot hun theoriemedewerkers in het team, onder leiding van Penn's Rappe en collega-theorieonderzoekers Fenggong Wang en Diomedes Saldana-Grego, om de resultaten te helpen interpreteren.

"Dissociatie van waterfragmenten op het oxide-oppervlak maakt elektronen vrij die naar het begraven grensvlak gaan, het opheffen van de ionische ladingen, Wang zei. "Dit zet alle lichtemissie op dezelfde energie, waardoor de waargenomen scherpe fotoluminescentie."

Volgens Rappe, dit is het eerste verslag van de introductie van moleculen aan het oppervlak die de emissie van licht - van elke kleur - van een begraven vaste-oppervlakte-interface regelen.

"Het mechanisme van een molecuul dat landt en reageert, dissociatieve chemisorptie genoemd, als een manier om het begin en de onderdrukking van licht te beheersen, is anders dan alle andere eerder gerapporteerde, ' zei Saldana-Grego.

Het team publiceerde onlangs zijn bevindingen, in het tijdschrift American Chemical Society Nano-letters . De krant, getiteld "Surface Chemically Switchable Ultraviolet Luminescence from Interfacial Two-Dimensional Electron Gas, " beschrijft hun methode voor het genereren en regelen van omkeerbare ultraviolette luminescentie van een tweedimensionale op elektronengas gebaseerde halfgeleiderinterface. Dit is een proces dat ze uitvoerig hebben bestudeerd door middel van fysieke testen van materialen geproduceerd door medewerkers van Cal en Temple, en via computersimulaties door de groepen Rappe en Spanier.

"We vermoeden dat het materiaal kan worden gebruikt voor eenvoudige apparaten zoals transistors en sensoren. Door moleculen strategisch op het oppervlak te plaatsen, het UV-licht kan worden gebruikt om informatie door te geven - net zoals computergeheugen een magnetisch veld gebruikt om zichzelf te schrijven en te herschrijven, maar met het grote voordeel dat het zonder elektrische stroom kan, " zei Mohammed Islam, een assistent-professor van de State University van New York in Oswego, die in het team van Spanier zat toen hij bij Drexel was. "De sterkte van het UV-veld varieert ook met de nabijheid van het watermolecuul, dit suggereert dat het materiaal ook nuttig zou kunnen zijn voor het detecteren van de aanwezigheid van chemische agentia."

Volgens Spanier, er moet aanzienlijk meer fundamenteel onderzoek worden gedaan, maar deze ontdekking kan onderzoekers helpen begrijpen hoe elektronen op deze grensvlakken op elkaar inwerken, en de limieten van hoe ze oppervlaktemoleculen kunnen gebruiken om de lichtemissie te beheersen.