16 april 2009, 2009/11
Nanoantennes houden richting en rendement van lichtemissie onder controle
Onderzoekers van het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica
AMOLF, die gestationeerd zijn bij Philips Research, hebben aangetoond
dat organisatie van metalen deeltjes in een periodieke structuur, van
metallische nanoantennes, het rendement van de emissie van licht
verbetert en de richting controleert. Dit heeft een directe impact op
wijdverspreide toepassingen zoals lichtemitterende diodes (LEDs) en
lasers. De resultaten van dit onderzoek zijn op 10 april jl. online
gepubliceerd in het prestigieuze tijdschrift Physical Review Letters.
Figuur 1. Rooster van nanoantennes
vergroten Figuur 1. Rooster van nanoantennes
Foto van een rooster van gouden nanoantennes genomen met een
elektronenmicroscoop.
Figuur 2. Berekening van het lichtveld op een rooster van nanoantennes
vergroten Figuur 2. Berekening van het lichtveld op een rooster van
nanoantennes
(a) bij de golflengte van de gelokaliseerde
oppervlakteplasmonresonantie van individuele nanoantennes, en (b) bij
de golflengte van de oppervlaktegolf die voortvloeit uit de koppeling
van de gelokaliseerde oppervlakteplasmonresonantie en de verstrooide
golf op het vlak van het rooster.
Figuur 3. Lichtemissie onder specifieke hoeken en golflengtes
vergroten Figuur 3. Lichtemissie onder specifieke hoeken en
golflengtes Emissie toebehoren (kleurschaal) uit moleculen op een
rooster van nanoantennes als functie van de golflengte en de hoek van
de emissie. Licht wordt bij voorkeur binnen een band verzonden, die
overeenkomt met de diffractiepatroon van het rooster.
Metalen deeltjes oefenen grote invloed uit op de emissie van het licht
van bronnen die zich in de buurt van deze deeltjes bevinden. De
efficiëntie van emissie kan worden verkleind of vergroot, en de
richting bepaald, afhankelijk van de lichtbron, de deeltjes en de
afstand ertussen, en de oriëntatie van de bron en het deeltje. De
invloed op de emissie wordt veroorzaakt door de interactie van het
elektrische veld van het licht met de elektronen in het metaal, die
collectief bewegen.
De strijd om meer licht vanuit bronnen zoals fluorescerende moleculen,
nanokristallen of kwantumputten, te genereren houdt veel
nanofotonica-wetenschappers bezig. Echter, niet alleen de efficiëntie
van de emissie is relevant, maar ook de mogelijkheid om tegelijkertijd
haar richting te controleren. Verschillende onderzoeksgroepen hebben
de optische eigenschappen van de zogenaamde metallische nanoantennes
onderzocht. Metallische nanoantennes zijn nanodeeltjes met een
specifieke vorm, die kunnen worden gefabriceerd door middel van
geavanceerde technieken. Afhankelijk van het metaal en vooral van de
grootte en de vorm van de nanoantennes, kan de optische respons worden
afgestemd. Licht dat met de juiste golflengte op een nanoantenne
botst, zorgt voor een collectieve beweging van de elektronen in het
metaal. Deze collectieve beweging heet gelokaliseerde
oppervlakteplasmonresonantie.
Inmiddels kunnen onderzoekers de nanoantennes in periodieke structuren
(zie figuur 1) maken. Deze structuren vormen een rooster waarop licht
wordt verstrooid in een diffractiepatroon. De groep AMOLF-onderzoekers
bij Philips heeft laten zien dat wanneer het licht van een golflengte
dicht bij de golflengte van de gelokaliseerde
oppervlakteplasmonresonantie wordt verstrooid in het vlak van de
nanoantennes, een golf ontstaat die strak gebonden is aan het
oppervlak. Nog interessanter is de bevinding dat moleculen die licht
uitzenden, geplaatst op de periodieke structuur van nanoantennes, zich
kunnen hechten aan deze oppervlaktegolf. Omdat de oppervlaktegolf een
grotere ruimtelijke voortplanting heeft dan de gelokaliseerde
plasmonresonanties van individuele nanoantennes (zie figuur 2),
stralen meer moleculen aan deze oppervlaktegolf, waardoor de totale
emissie van licht verhoogd wordt. Deze lichtemissie vindt plaats onder
specifieke hoeken en golflengtes, nauw overeenkomend met het
diffractiepatroon van de structuur (zie figuur 3). De mogelijkheid om
de emissie van moleculen te manipuleren door roosters van nanoantennes
is zeer veelbelovend voor toekomstige optische apparaten, zoals
efficiënte LEDs met gecontroleerde ruimtelijke emissie.
Meer informatie: Gabriele Vecchi, AMOLF, c/o Philips Research, tel.:
+31 (0)40 274 28 43; en/of Jaime Gómez Rivas, AMOLF, c/o Philips
Research, tel.: +31 (0)40 274 23 49.
Meer informatie
Contactperso(o)n(en): Anita van Stel
Stichting FOM