Onderzoekers van de groep Organische Fotonica en Nano-optica van het Laboratorium voor Organische Elektronica hebben optische nanoantennes ontwikkeld die zijn gemaakt van een geleidend polymeer. De antennes kunnen worden in- en uitgeschakeld, en zal een volledig nieuw type regelbare nano-optische componenten mogelijk maken.

Plasmonen ontstaan ​​wanneer licht interageert met metalen nanodeeltjes. Het invallende licht veroorzaakt een collectieve trilling, een verenigde voorwaartse en achterwaartse beweging, van de elektronen in de deeltjes. Het is deze collectieve trilling die het plasmon is. Metalen nanostructuren en hun vermogen om licht te vormen op een schaal van nanometers worden door veel onderzoeksgroepen over de hele wereld bestudeerd voor gebruik in, bijvoorbeeld, biosensoren en apparaten voor energieconversie, en om andere optische fenomenen te versterken. Andere mogelijke toepassingsgebieden zijn onder meer medische miniatuurapparatuur en ramen die de hoeveelheid licht en warmte regelen die wordt toegelaten of uitgestraald door een gebouw.

In een artikel in Natuur Nanotechnologie , wetenschappers van de Universiteit van Linköping presenteren optische nanoantennes, gemaakt van een geleidend polymeer in plaats van een traditioneel metaal, zoals goud of zilver. In dit geval, ze gebruikten een variant van PEDOT, dat op veel andere gebieden een veelgebruikt polymeer is, inclusief thermo-elektriciteit en bio-elektronica.

"We laten zien dat licht kan worden omgezet in plasmonen in nanostructuren van het organische materiaal, " zegt Magnus Jonsson, leider van de groep Organic Photonics and Nano-optics bij het Laboratory of Organic Electronics.

Het is, echter, geen elektronen die plasmonen creëren in het geleidende polymeer, maar polaronen. Een polymeer bestaat uit een lange keten van verbonden atomen en in het geleidende polymeer waar de onderzoekers mee hebben gewerkt, het zijn positieve ladingen langs de polymeerketen die verantwoordelijk zijn voor de elektrische geleidbaarheid. Samen met bijbehorende kettingverstoringen vormen deze positieve ladingen polaronen, die collectieve oscillaties starten wanneer licht op de nanostructuur valt.

"Onze organische antennes kunnen transparant zijn voor zichtbaar licht terwijl ze reageren op licht op wat langere golflengten, waardoor ze interessant zijn voor toepassingen zoals slimme ramen, ', zegt Magnus Jonsson.

De onderzoekers voerden aanvankelijk theoretische berekeningen uit en gebruikten simulaties om experimenten te ontwerpen, die ze vervolgens konden uitvoeren. Shanzhi Chen, promovendus in de groep, is erin geslaagd miljarden minuscule schijven ter grootte van nanometers van het organische geleidende materiaal op een oppervlak te produceren. Deze kleine schijven reageren op licht en fungeren als kleine antennes.

De onderzoekers hebben aangetoond dat zowel de diameter als de dikte van de schijven bepalend zijn voor de lichtfrequentie waarop ze reageren. Het is dus mogelijk om deze golflengte te regelen door de geometrie van de schijf te veranderen. Hoe dikker de schijf, hoe hoger de frequentie. Ze hopen ook dat ze het golflengtebereik waarop de nanoantennes reageren kunnen vergroten door het gebruikte polymeer te veranderen.

Een andere innovatie die ze hebben onderzocht, is de mogelijkheid om de organische nanoantennes aan en uit te zetten, wat moeilijk is met conventionele metalen. Het materiaal dat in het laboratorium wordt vervaardigd, bevindt zich aanvankelijk in een geoxideerde staat, en de nanoantennes zijn ingeschakeld.

"We hebben aangetoond dat wanneer we het materiaal reduceren door het bloot te stellen aan damp, we kunnen de geleiding uitschakelen en zo ook de antennes. Als we het dan opnieuw oxideren met behulp van, bijvoorbeeld, zwavelzuur, het herwint zijn geleidbaarheid en de nanoantennes schakelen weer in. Dit is momenteel een relatief langzaam proces, maar we hebben de eerste stappen gezet en laten zien dat het mogelijk is, ', zegt Magnus Jonsson.

"Hoewel dit fundamenteel onderzoek is, onze resultaten maken een nieuw type regelbare nano-optische componenten mogelijk waarvan we denken dat ze voor veel toepassingen kunnen worden gebruikt."