Stichting FOM
7 december 2009, 2009/45
'Plasmonen' laten glasvezel en chip met elkaar praten
Onderzoekers van het FOM-instituut AMOLF en de Universiteit Twente
hebben een nieuw soort lichtbron ontwikkeld. Deze elektrische
'plasmonbron' zendt plasmongolven uit; lichtgolven die zo klein zijn
dat ze in een computerchip passen. De lichtbron brengt voor het eerst
glasvezelcommunicatietechnologie en computertechnologie bij elkaar. De
onderzoekers publiceren hun werk op 6 december in het toonaangevende
tijdschrift Nature Materials.
Figuur 1. Elektrische plasmonbron
vergroten Figuur 1. Elektrische plasmonbron
Plasmongolven planten zicht voort tussen twee gouden metaalfilms. Zij
worden opgewekt door silicium nanodeeltjes die door de kleine
bolletjes rechtsonder worden weergegeven. Via kleine gaatjes aan de
bovenkant ontsnappen de plasmonen naar buiten, waar ze in een
microscoop kunnen worden opgevangen.
®AMOLF/Tremani
Wereldwijd wordt veel onderzoek gedaan naar plasmonen: ultrakleine
elektromagnetische golven die zich voortplanten aan het oppervlak van
een metaal. Plasmonen hebben een sterke interactie met de elektronen
in het metaal, waardoor de golflengte sterk wordt verkleind. Daarom
kunnen plasmongolven zich bijvoorbeeld door extreem kleine gaatjes
persen, zoals in 1998 werd ontdekt door de Franse onderzoeker Thomas
Ebbesen.
In laboratoriumexperimenten werden plasmonen tot nu toe opgewekt met
complexe laseropstellingen. In het ontwerp van het Amsterdam-Twentse
team zijn de plasmonen voor het eerst elektrisch opgewekt. De
onderzoekers bouwden daarvoor met nanotechnologie een schakeling die
bestaat uit twee dunne metaalfilms, met daartussen siliciumdeeltjes
ter grootte van slechts enkele nanometers. Door een elektrische
spanning tussen de metaalfilms aan te leggen raken de siliciumdeeltjes
aangeslagen, waarna ze hun energie uitzenden in de vorm van
plasmongolven. De frequentie van de plasmonen wordt bepaald door de
diameter van de nanodeeltjes.
Doordat plasmonen zo'n korte golflengte hebben en als het ware heel
dicht tegen het metaal-oppervlak zijn aangeplakt, kunnen er extreem
kleine optische schakelingen, met afmetingen van slechts tientallen
nanometers, mee worden gebouwd. Daarmee wordt het mogelijk optische
communicatietechnologie, die normaal gebruik maakt van relatief dikke
glasvezels, te integreren met de elektrische chipindustrie, waar
dimensies van slechts tientallen nanometer een rol spelen. Het licht
wordt dan in de vorm van plasmonen over de computerchip geleid.
Daarnaast zien de onderzoekers een bijzondere toepassing voor de
plasmonbron in lab-on-a-chip producten, waarmee ziektes kunnen worden
gediagnosticeerd of chemicaliën gedetecteerd. De plasmonbron wordt dan
gebruikt als sensor waarmee kleine hoeveelheden moleculen met
plasmonen worden gedetecteerd.
Robb Walters, een postdoc onderzoeker in de groep van Albert Polman
die aan dit project werkte: "je kunt nu voor 30 euro een digitale
camera kopen met 4 miljoen pixels op een chip, die ieder afzonderlijk
werken als een sensor voor licht. We hopen dat het met deze
technologie op een dag mogelijk is om met een sensorchip met daar op
een miljoen plasmon pixels simultaan een miljoen medische testen te
doen."
Het onderzoek is uitgevoerd met steun van de Stichting FOM, STW,
NANONED en het Smartmixprogramma MEMPHIS.
Referentie
Het artikel 'A silicon-based electrical source of surface plasmon
polaritons', Robb Walters, Rob van Loon, Ihor Brunets, Jurriaan
Schmitz en Albert Polman, verschijnt op 6 december 2009 in de online
editie van Nature Materials.