Door twee zeer verschillende licht-interagerende nanostructuren te combineren, A*STAR-onderzoekers hebben een verrassend sterke versterking van een frequentieverdubbelingseffect aangetoond.

De functionele manipulatie en transformatie van licht in optische circuits is een opwindend onderzoeksgebied dat de fysica van licht en materie op ongebruikelijke manieren combineert. Op het snijvlak van deze technologie, onderzoekers onderzoeken nieuwe structurele combinaties van materialen die aanleiding kunnen geven tot potentieel nuttige functies, vooral in systemen op nanoschaal.

Joel Kwang Wei Yang, Zhaogang Dong en hun collega's van A*STAR's Institute of Materials Research and Engineering hebben gewerkt aan zeer nauwkeurige technieken voor het patroontekenen van dunne goudfilms met groefstructuur op nanoschaal om de lichtinteractie te verbeteren en lichtresonantie-effecten te produceren die bekend staan ​​als plasmonics.

"We hebben uit onze eerdere onderzoeken gezien dat groeven van 10 nanometer breed in een gouden film plasmonmodi kunnen ondersteunen door licht langs de groeven te concentreren, " legt Yang uit. "Toen bedachten we dat het draperen van een tweedimensionaal materiaal op dit speciale substraat een interessant systeem zou kunnen opleveren vanwege de opsluiting van licht in quasi eendimensionale stroken."

In samenwerking met onderzoekers van de National University of Singapore, Imperial College London en de King Abdullah University of Science and Technology in Saoedi-Arabië, Yang en Dong gefabriceerd, analyseerde en modelleerde een systeem bestaande uit de nano-gegroefde goudfilm bedekt met een atomair dunne vlok wolfraamselenide (WSe2). Het resultaat was een opmerkelijke 7, 000-voudige vermenigvuldiging van een effect genaamd tweede harmonische generatie (SHG), waarbij twee fotonen worden gecombineerd om een ​​enkel foton te produceren met dubbele energie (of frequentie).

"Dit werk was echt een wonder van nanofabricage en delicate monsterbehandeling, " zegt Yang. "We hadden uitstekende medewerkers die voor prachtige WSe2-vlokken zorgden, en een getalenteerde Ph.D. student die inmiddels is afgestudeerd, Wang Zhuo, gewerkt aan state-of-the-art overdrachtstechnieken om deze vlokken in de juiste richting op onze nanotrenches te krijgen."

Opmerkelijk, het monster overleefde zowel de overdracht op een afzonderlijk transparant substraat als vele buigcycli zonder degradatie in SHG-emissie, waardoor het een potentieel veerkrachtig en veelzijdig platform wordt voor verdere ontwikkeling.

"Goudfolies zijn flexibel en behouden goed hun vorm, en de groeven op nanoschaal produceren sterke optische verbeteringen, terwijl monolaag WSe2 een efficiënt SHG-materiaal is, maar vanwege de atomaire dikte slechts zwak interageert met licht, ", zegt Dong. "We waren in staat om de voordelen van beide materialen te combineren om een ​​flexibele, ultracompact, en efficiënt apparaat voor SHG, met mogelijke toepassingen voor optische frequentieverdubbeling in apparaten op nanoschaal."