Stichting FOM

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