De methode van een professor aan de Rice University om licht te "upconverteren" zou zonnecellen efficiënter en ziektegerichte nanodeeltjes effectiever kunnen maken.

Experimenten onder leiding van Gururaj Naik, een assistent-professor in elektrische en computertechniek, gecombineerde plasmonische metalen en halfgeleidende kwantumbronnen om de frequentie van licht te verhogen, van kleur veranderen.

In een prototype op nanoschaal, ontwikkeld als postdoctoraal onderzoeker aan de Stanford University, op maat ontworpen pylonen die door groen licht werden geraakt, produceerden een blauwe gloed met een hogere energie. "Ik neem fotonen met lage energie en zet ze om in fotonen met hoge energie, " hij zei.

Efficiënte opconversie van licht kan zonnecellen in staat stellen om anders verspild infrarood zonlicht om te zetten in elektriciteit of door licht geactiveerde nanodeeltjes helpen om zieke cellen te behandelen, zei Naik.

Het werk verschijnt in de American Chemical Society's Nano-letters .

De magie vindt plaats in kleine pylonen met een diameter van ongeveer 100 nanometer. Wanneer geëxciteerd door een specifieke golflengte van licht, gouden stippen op de toppen van de pylonen zetten de lichtenergie om in plasmonen, golven van energie die ritmisch over het gouden oppervlak klotsen als rimpelingen op een vijver. Plasmonen zijn van korte duur, en als ze vergaan, ze geven hun energie op twee manieren op; ze zenden ofwel een foton van licht uit of produceren warmte door hun energie over te dragen aan een enkel elektron - een "heet" elektron.

Naiks werk aan Stanford werd geïnspireerd door het baanbrekende werk van professoren Naomi Halas en Peter Nordlander van Rice's Laboratory for Nanophotonics, die hadden aangetoond dat opwindende plasmonische materialen ook "hete dragers" - elektronen en gaten - binnenin aansloegen. (Elektronengaten zijn de vacatures die ontstaan ​​wanneer een elektron in een hogere toestand wordt geëxciteerd, waardoor het atoom een ​​positieve lading krijgt.)

"Plasmonics is echt geweldig in het knijpen van licht op nanoschaal, " zei Naik, die een jaar geleden bij de faculteit van Rice kwam. "Maar dat gaat altijd ten koste van iets. Halas en Nordlander lieten zien dat je de optische verliezen kunt extraheren in de vorm van elektriciteit. Mijn idee was om ze terug te brengen naar optische vorm."

Hij ontwierp pylonen met afwisselende lagen galliumnitride en indium galliumnitride die waren bedekt met een dunne laag goud en omringd door zilver. In plaats van de hete dragers weg te laten glippen, De strategie van Naik was om zowel hete elektronen als hete gaten naar de galliumnitride- en indium-galliumnitridebasen te leiden die dienen als elektronenvangende kwantumbronnen. Deze putten hebben een inherente bandgap die elektronen en gaten sekwestreert totdat ze met voldoende energie recombineren om de kloof te overbruggen en fotonen met een hogere frequentie vrij te geven.

Hedendaagse upconverters die worden gebruikt in communicatie op de chip, fotodynamische therapie, beveiliging en gegevensopslag hebben een efficiëntie van 5 tot 10 procent, zei Naik. De kwantumtheorie biedt een efficiëntie van maximaal 50 procent ("omdat we twee fotonen absorberen om er één uit te zenden"), maar, hij zei, 25 procent is een praktisch doel voor zijn methode.

Naik merkte op dat zijn apparaten kunnen worden afgestemd door de grootte en vorm van de deeltjes en de dikte van de lagen te veranderen. "Upconverters op basis van lanthaniden en organische moleculen zenden en absorberen licht op vaste frequenties omdat ze worden vastgelegd door atomaire of moleculaire energieniveaus, " zei hij. "We kunnen kwantumbronnen ontwerpen en hun bandgaps afstemmen om fotonen uit te zenden in het frequentiebereik dat we willen en op dezelfde manier metalen nanostructuren ontwerpen om op verschillende frequenties te absorberen. Dat betekent dat we absorptie en emissie bijna onafhankelijk kunnen ontwerpen, wat voorheen niet mogelijk was."

Naik bouwde en testte een proof-of-concept prototype van de pylon-array terwijl hij in het Stanford-lab van Jennifer Dionne werkte, nadat hij samen met haar een theoretisch artikel had geschreven dat de weg vrijmaakte voor de experimenten.

"Dat is een solid-state apparaat, "Zei Naik over het prototype. "De volgende stap is om op zichzelf staande deeltjes te maken door kwantumdots te bekleden met metaal in precies de juiste maat en vorm."

Deze zijn veelbelovend als medische contrastmiddelen of voertuigen voor medicijnafgifte, hij zei. "Infrarood licht dringt dieper door in weefsels, en blauw licht kan de reacties veroorzaken die nodig zijn voor de toediening van medicijnen, "Zei Naik. "Mensen gebruiken upconverters met drugs, breng ze naar het gewenste deel van het lichaam, en laat infrarood licht van buitenaf schijnen om het medicijn af te geven en te activeren."

De deeltjes zouden ook een gemene onzichtbare inkt vormen, hij zei. "Je kunt met een upconverter schrijven en niemand zou het weten totdat je er infrarood met hoge intensiteit op schijnt en het wordt omgezet in zichtbaar licht."