Door gouden nanodeeltjes op een rij te zetten in smalle greppels die in een gouden substraat zijn uitgehouwen, hebben A*STAR-onderzoekers een optisch effect aanzienlijk kunnen verbeteren dat de frequentie van invallend licht verdubbelt1. Deze benadering zou kunnen helpen bij het produceren van miniatuur 'on-chip'-apparaten die de frequentie van licht omzetten.

Nanodeeltjes van metalen, zoals goud, fungeren als miniatuurantennes voor licht, concentratie van het elektromagnetische veld van invallend licht. Deze veldintensivering kan worden benut om niet-lineaire optische effecten te versterken, die alleen in zeer sterke velden voorkomen.

Een dergelijk niet-lineair effect is de tweede harmonische generatie (SHG), waarbij twee binnenkomende fotonen met dezelfde frequentie samen één foton vormen met twee keer de frequentie. Symmetrische overwegingen, echter, voorkomen dat SHG voorkomt in een gouden structuur; het kan alleen voorkomen op een gouden oppervlak. Deze beperking heeft eerder het gebruik van gouden nanodeeltjes voor SHG belemmerd.

Nutsvoorzieningen, Joel Yang en Zhaogang Dong van het A*STAR Institute of Materials Research and Engineering en collega's hebben dit probleem opgelost door goudstructuren te produceren waarin gouden nanodeeltjes met een diameter van ongeveer 8 nanometer bedekt met een organische verbinding in 12 nanometer- brede loopgraven. Hierdoor ontstaan ​​openingen van ongeveer twee nanometer breed aan weerszijden van de nanodeeltjes (zie afbeelding). Deze kleine openingen hebben een dubbele functie:ze versterken zowel de veldversterking van de nanodeeltjes als de interactie van licht met het gouden oppervlak.

De verbetering is verbluffend. De combinatie van deze twee effecten verhoogt SHG met meer dan 4, 000 keer vergeleken met wanneer dezelfde gouden nanodeeltjes op een plat goudsubstraat worden verpakt. "Deze verbetering in SHG is een van de hoogste ooit gerapporteerd, " merkt Yang op.

Het team produceert de structuren in twee fasen; ze gebruikten een 'top-down' lithografieproces om de greppels te maken en vervolgens 'bottom-up' zelfassemblage om de nanodeeltjes in de greppels te laten vallen. belangrijk, beide processen zijn schaalbaar, zodat de constructies mogelijk op een commercieel levensvatbare schaal kunnen worden vervaardigd.

Terwijl conventionele niet-lineaire kristallen die SHG in hun interieur uitvoeren, nog steeds hogere conversie-efficiënties hebben, de kleine omvang van de nanostructuren maakt ze zeer aantrekkelijk voor het realiseren van SHG op zeer kleine schaal, inclusief apparaten die in chips kunnen worden geïntegreerd. Yang merkt op dat er veel ruimte is voor optimalisatie. "Er is genoeg ruimte voor verbetering, vooral voor het bereiken van SHG in een geminiaturiseerd formaat, " hij zegt.

De onderzoekers onderzoeken het gebruik van andere materialen om nog hogere SHG-verbeteringen te bereiken. Ze werken ook samen met een in Singapore gevestigd bedrijf om de techniek in de toekomst te commercialiseren.