Transparante geleider blijkt nauwkeurige afstandmeter
Meer informatie
Contactperso(o)n(en): Gabby Zegers
Weblocatie: http://www.fom.nl/live/nieuws/archief_persberichten/persberichten2016/artikel.pag?objectnumber=321536
printerversie
29 januari 2016
Transparante geleider blijkt nauwkeurige afstandmeter
Onderzoekers van de Stichting FOM en de afdeling Imaging Physics van de TU Delft hebben laten zien dat voor een lichtbron op heel korte afstanden, 10 nanometer en kleiner, de transparante geleider indium-tinoxide (ITO) zich niet meer transparant gedraagt, maar juist een sterke afname van de
lichtintensiteit veroorzaakt. Deze afname is zo sterk afhankelijk van de afstand tot het ITO, dat de onderzoekers ITO kunnen gebruiken voor afstandmetingen. Zij kunnen met licht afstanden onder de 10 nanometer tot op 0,3 nanometer nauwkeurig te bepalen, dat is duizend keer kleiner dan de
golflengte van het licht.
Twee microscopieglaasjes
vergroten Twee microscopieglaasjes
Normaal gesproken nauwelijks van elkaar te onderscheiden: twee microscopieglaasjes, waarvan eentje met een dun laagje indium tin oxide (ITO) en de ander niet. De absorptie van minder dan 1 procent licht door het ITO is niet of nauwelijks door het menselijk ook waar te nemen. De situatie
verandert sterk op het moment dat de lichtbron vlakbij het ITO wordt geplaatst: dan blijkt het ITO helemaal niet meer transparant, en neemt de intensiteit van het uitgezonden licht sterk af (zie figuur 2).
Kleine lichtbronnen
vergroten Kleine lichtbronnen
Kleine lichtbronnen, zoals lichtgevende moleculen of nanodeeltjes, die op een afstand van tien nanometer of meer van het ITO staan, kunnen op volle kracht hun licht uitzenden. Als ze echter dichterbij staan, dan neemt hun intensiteit sterk af als gevolg van plotseling opkomende absorptie in
het ITO. Dit verschil is te meten, en kan omgekeerd gebruikt worden om de afstand van de lichtbron tot het ITO te bepalen.
Weinig materialen zijn tegelijkertijd zo transparant als glas en een goede geleider van elektrische stroom. Toch kennen deze materialen veel technologische toepassingen. Indium-tinoxide (ITO) is de meest bekende van deze materialen en komt veel voor in bijvoorbeeld touchscreens of in
nanotechnologische systemen.
De absorptiecoefficient bepaalt de mate van absorptie van licht in een materiaal. Voor een materiaal als ITO kan deze absorptiecoefficient heel klein worden gemaakt, ongeveer 0,002 voor het ITO dat in Delft is onderzocht. Onderzoeker dr.ir. Robert Moerland, die als postdoc het onderzoek heeft
uitgevoerd: "Deze lage absorptiecoefficient betekent dat een dunne laag ITO kan zorgen voor elektrische stroomgeleiding, terwijl normaal gesproken maximaal 1 procent van het licht geabsorbeerd wordt. Zetten we nu echter een kleine lichtbron zoals een lichtgevend molecuul of nanodeeltje heel
dicht bij het ITO-oppervlak, dan reageren de elektronen in het ITO sterk op dit molecuul of deeltje. Het gevolg is dat er in het ITO minuscule stroomverplaatsingen opgewekt worden. Deze stroompjes zijn niet direct te meten, maar omdat de elektrische weerstand van het ITO deze stroom remt,
leiden deze wel tot een meetbaar verlies van de hoeveelheid energie die het molecuul in de vorm van licht uit kan zenden."
De onderzoekers hebben dit effect gemeten voor verschillende afstanden tussen de ITO-laag en de lichtgevende moleculen. Hiertoe gebruikten de onderzoekers atomaire laag depositie, waarmee een glasachtige laag met atomaire precisie op de ITO-laag aangegroeid kan worden. De overeenkomst van het
experiment met het theoretische model was zo sterk dat de onderzoekers de afstand tussen het molecuul en de ITO laag zeer precies konden bepalen uit de gemeten hoeveelheid energieverlies. Onderzoeksleider dr.ir. Jacob Hoogenboom: "Absorberende materialen zoals goud of grafeen worden al veel
toegepast om met behulp van licht afstanden te kunnen meten. Dit maakt het mogelijk om afstanden onder de honderd nanometer in bijvoorbeeld biologische systemen te meten, als een soort meetlat op de nanometerschaal. Metingen onder de twintig nanometer zijn met deze materialen echter niet
mogelijk omdat de absorptie dan te groot wordt. Onze resultaten laten zien dat transparante geleiders dit gat kunnen opvullen en afstandsmetingen tot een nanometer mogelijk maken. Voor zulke metingen zijn zelfs geen heel dure apparaten nodig. Afgelopen jaar hebben eerstejaars studenten met een
goedkoop LED-lampje en wat apparatuur die we nog in het lab hadden liggen zelf een opstelling gebouwd waarmee zij deze metingen ook konden reproduceren."
De resultaten zijn 22 januari gepubliceerd in het online open-access blad Optica. Voor meer informatie kunt u contact opnemen met dr.ir. Robert Moerland of dr.ir. Jacob Hoogenboom.