ความงามของกระจกสี - ทั้งหมดลงไปสู่การแกว่งอิเล็กตรอน Loggawiggler
เป็นเวลาหลายศตวรรษที่ศิลปินผสมเงินและผงทองคำกับแก้วเพื่อประดิษฐ์หน้าต่างสีสันสดใสเพื่อตกแต่งอาคาร ผลลัพธ์ที่ได้นั้นน่าประทับใจ แต่พวกเขาไม่มีเหตุผลทางวิทยาศาสตร์ว่าส่วนผสมเหล่านี้ทำแก้วได้อย่างไร ในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 นักฟิสิกส์กุสตาฟมี่คิดว่าสีของอนุภาคนาโนโลหะเกี่ยวข้องกับขนาดและคุณสมบัติทางแสงของโลหะและวัสดุที่อยู่ติดกัน
นักวิจัยเพิ่งค้นพบชิ้นส่วนที่หายไปของปริศนานี้ คนงานแก้วยุคกลางจะประหลาดใจที่พบว่าพวกเขาควบคุมสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์เรียกในวันนี้พลาสโมนิกส์: ฟิลด์ใหม่ที่ใช้การแกว่งอิเล็กตรอนที่เรียกว่า plasmons
แสง
Plasmonics แสดงให้เห็นว่าแสงสามารถนำทางไปตามพื้นผิวโลหะหรือภายในฟิล์มโลหะหนานาโนเมตร มันใช้งานได้เช่นนี้: ในระดับอะตอมคริสตัลโลหะมีโครงสร้างขัดแตะที่มีการจัดระเบียบมาก ตาข่ายมีอิเล็กตรอนอิสระไม่เกี่ยวข้องกับอะตอมโลหะอย่างใกล้ชิดซึ่งโต้ตอบกับแสงที่กระทบพวกเขา
ภาพร่างที่ง่ายขึ้นของการแกว่งอิเล็กตรอน (plasmons) ที่ส่วนต่อประสานโลหะ/อากาศ เมฆสีส้มและสีเหลืองบ่งบอกถึงภูมิภาคที่มีความเข้มข้นของอิเล็กตรอนที่ต่ำกว่าและสูงกว่าตามลำดับ ลูกศรแสดงเส้นสนามไฟฟ้าในและนอกของโลหะ Hans-Peter Wagner และ Masoud Kaveh-BaghbadoraniCC BY-ND
อิเล็กตรอนฟรีเหล่านี้เริ่มสั่นคลอนโดยรวมเกี่ยวกับตำแหน่งคงที่ของนิวเคลียสที่มีประจุบวกในตาข่ายโลหะ เช่นเดียวกับความหนาแน่นของโมเลกุลอากาศในคลื่นเสียงความหนาแน่นของอิเล็กตรอนผันผวนในตาข่ายโลหะเป็นคลื่น plasmon
แสงที่มองเห็นได้ซึ่งมีความยาวคลื่นประมาณครึ่งไมโครเมตรจึงสามารถเข้มข้นโดยปัจจัยเกือบ 100 ในการเดินทางผ่านฟิล์มโลหะเพียงไม่กี่นาโนเมตร (nm) นั่นเล็กกว่าผมมนุษย์ 1,000 เท่า แสงแบบผสมแสงอิเล็กตรอนใหม่ช่วยให้การปฏิสัมพันธ์ระหว่างสารสกัดเบา ๆ อย่างรุนแรงกับคุณสมบัติทางแสงที่ไม่เคยเกิดขึ้นมาก่อน
plasmonics ทำอะไรได้บ้าง?
Plasmonics สามารถปฏิวัติวิธีการถ่ายโอนข้อมูลคอมพิวเตอร์หรือสมาร์ทโฟนภายในวงจรรวมอิเล็กทรอนิกส์ การถ่ายโอนข้อมูลในวงจรรวมอิเล็กทรอนิกส์ปัจจุบันเกิดขึ้นผ่านการไหลของอิเล็กตรอนในสายโลหะ ใน Plasmonics มันเกิดจากการเคลื่อนไหวแบบแกว่งเกี่ยวกับนิวเคลียสเชิงบวก การถ่ายโอนข้อมูลจึงใช้เวลานานมากขึ้นในเทคโนโลยีเก่า เนื่องจากการถ่ายโอนข้อมูล plasmonic เกิดขึ้นกับคลื่นที่มีลักษณะคล้ายแสงและไม่ได้มีการไหลของอิเล็กตรอน (กระแสไฟฟ้า) เช่นเดียวกับในสายโลหะธรรมดาการส่งข้อมูลจะเร็วมาก (ใกล้กับความเร็วของแสง)-คล้ายกับเทคโนโลยีไฟเบอร์แก้วในปัจจุบัน แต่ฟิล์มโลหะพลาสโมนิกนั้นบางกว่าเส้นใยแก้วมากกว่า 100 เท่า สิ่งนี้อาจนำไปสู่เทคโนโลยีสารสนเทศที่เร็วขึ้นบางและเบาลง
plasmons พื้นผิวยังมีความไวต่อวัสดุใด ๆ ที่อยู่ติดกับฟิล์มโลหะ ความเข้มข้นต่ำของอะตอมโมเลกุลหรือแบคทีเรียที่ถูกผูกไว้กับพื้นผิวโลหะสามารถเปลี่ยนคุณสมบัติของพลาสมอนได้ คุณลักษณะนี้สามารถใช้สำหรับการตรวจจับทางชีวภาพและเคมีที่ความเข้มข้นต่ำมากเช่นเพื่อตรวจสอบน้ำที่มีมลพิษ
หากได้รับการออกแบบอย่างเหมาะสมหลายชั้นของโครงสร้างนาโนเมทัล/ฉนวนกันความร้อนแบบพลาสโมนิคสร้าง metamaterials เทียมซึ่งคำภาษากรีก "meta" หมายถึง "เกิน" ซึ่งแตกต่างจากวัสดุอื่น ๆ ในธรรมชาติ metamaterials เหล่านี้มีดัชนีเชิงลบของการหักเห นั่นคือการวัดว่าแสงเปลี่ยนทิศทางเท่าไหร่เมื่อเข้าสู่ฉนวนกันความโปร่งใส ฉนวนรวมถึงแก้วมีดัชนีการหักเหของแสง พวกเขาโค้งงอแสงที่เข้าสู่มุมหนึ่งใกล้กับฉากตั้งฉากกับพื้นผิวฉนวน
แสงเปลี่ยนทิศทางเมื่อเข้าสู่ฉนวนกันความโปร่งใสด้วยดัชนีการหักเหของแสงบวกหรือ metamaterial ที่มีดัชนีการหักเหของแสงเชิงลบ Hans-Peter Wagner และ Masoud Kaveh-BaghbadoraniCC BY-ND
ในทางตรงกันข้าม metamaterials multilayered โค้งงอแสงไปยังทิศทาง "ตรงกันข้าม" สถานที่ให้บริการที่น่าสนใจนี้สามารถใช้กับการปิดบังวัตถุโดยครอบคลุมพวกเขาด้วยการห่อหุ้ม metamaterial ฟอยล์จะนำแสงไปรอบ ๆ วัตถุอย่างราบรื่นแทนที่จะสะท้อนมัน เกือบจะไม่น่าเชื่อวัตถุที่ปิดบังจะมองไม่เห็น
แอพพลิเคชั่นอื่น ๆ รวมถึงซูเปอร์ลินส์ออพติคอลที่มีความละเอียดสูงกว่าอย่างมีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับกล้องจุลทรรศน์ออปติคัลทั่วไป พวกเขาสามารถอนุญาตให้นักวิทยาศาสตร์เห็นวัตถุมีขนาดเล็กถึง 100 นาโนเมตร นั่นเป็นเรื่องเกี่ยวกับหนึ่งในสิบที่ใหญ่เท่ากับเชื้อโรคทั่วไป
มีการพิสูจน์แล้วว่ามีเสื้อคลุมแสงและซูเปอร์ลินส์ที่มีอยู่ แต่การสูญเสียความต้านทานสูงในชั้นโลหะซึ่งแปลงพลังงานคลื่นอิเล็กตรอนแสงเป็นความร้อนในปัจจุบัน จำกัด ความเป็นไปได้ของการใช้งานจำนวนมาก
ภาพร่างที่ง่ายของโลหะพลาสโมนิก/อินทรีย์/เซมิคอนดักเตอร์ nanowire heterostructure การปล่อยจาก nanowire ที่เกิดจากลำแสงเลเซอร์ที่น่าตื่นเต้นใช้เป็นปั๊มพลังงานเพื่อชดเชยการสูญเสียความต้านทานในเปลือกโลหะ มีการแทรกชั้นเว้นวรรคอินทรีย์ที่มีความหนา 10 นาโนเมตรเพียงไม่กี่นาโนเมตรเพื่อควบคุมการถ่ายโอนพลังงานนี้ Hans-Peter Wagner และ Masoud Kaveh-BaghbadoraniCC BY-NC-ND
การผลิตนาโนพลาสโมนิก
การสูญเสียความต้านทานสูงเป็นปัญหาสำคัญของ plasmonics เพื่อเอาชนะข้อ จำกัด เหล่านี้เราได้ออกแบบและประดิษฐ์โลหะพลาสโมนิกที่ไม่เหมือนใคร/อินทรีย์/เซมิคอนดักเตอร์ heterostructures nanowire เป้าหมายของเราคือการกระตุ้น nanowires เซมิคอนดักเตอร์ด้วยแหล่งกำเนิดแสงภายนอกจากนั้นใช้รังสีภายในใน nanowires เป็นแหล่งกำเนิดพลังงานเพื่อชดเชยการสูญเสียโลหะ ด้วยวิธีนี้นาโนวูร์ร์สพลังงานแสงในคอนเสิร์ตด้วยการส่องแสงอิเล็กตรอนไปยังฟิล์มโลหะดังนั้นจึงฟื้นฟูแอมพลิจูดของคลื่นพลาสโมนที่เปียกชื้น
ดร. Hans-Peter Wagner, Right, และการศึกษาระดับปริญญาเอกของเขา Masoud Kaveh-Baghbadorani ในห้องปฏิบัติการการสะสมของลำแสงโมเลกุลอินทรีย์ (OMBD), ภาควิชาฟิสิกส์, มหาวิทยาลัยซินซินนาติ Jay Yocis University of CincinnatiCC BY-ND
เราใช้วิธีการสะสมลำแสงโมเลกุลอินทรีย์ (OMBD) เพื่อเคลือบ nanowires เซมิคอนดักเตอร์ด้วยโลหะ/อินทรีย์หลายชั้น ในห้อง OMBD วัสดุอินทรีย์และโลหะอยู่ในเซลล์ทรงกระบอกที่สามารถให้ความร้อนได้ เราระเหยทั้งโมเลกุลอินทรีย์และอะตอมโลหะในเซลล์อุ่นที่สูญญากาศสูงเป็นพิเศษ (ซึ่งต่ำกว่าความดันบรรยากาศหลายร้อยพันล้านเท่า) จากนั้นเรานำคานโมเลกุลและอะตอมที่เราผลิตไปยังตัวอย่างเซมิคอนดักเตอร์ nanowire ความหนาของฟิล์มสะสมที่เกิดขึ้นบน nanowire ถูกควบคุมโดยบานประตูหน้าต่างเชิงกลที่ช่องเปิดของเซลล์
กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งสัญญาณ (HRTEM) ของนาโนเชลล์แกน GaAS-Algaas-shell ที่เคลือบด้วยอลูมิเนียม quinoline 10 นาโนเมตรและฟิล์มคลัสเตอร์ทองหนา 5 ถึง 10 นาโนเมตรด้านบน Melodie Fickenscher (ศูนย์คุณสมบัติวัสดุขั้นสูงวิทยาลัยวิศวกรรมศาสตร์และวิทยาศาสตร์ประยุกต์) มหาวิทยาลัยซินซินนาติCC BY-ND
กระบวนการถ่ายโอนพลังงานจากนาโนคอนดักเตอร์เซมิคอนดักเตอร์ที่ตื่นเต้นไปจนถึงการแกว่งของ plasmon ในฟิล์มโลหะโดยรอบได้รับการศึกษาด้วยเทคนิคสเปกโทรสโกปีที่เร็วมาก-
ผลลัพธ์จากการศึกษาของเราจะให้ความเข้าใจใหม่เกี่ยวกับคลื่นอิเล็กตรอนแสงในสภาพแวดล้อมที่เป็นเอกลักษณ์และเป็นเอกลักษณ์ของโลหะ หวังว่าเราจะเปิดโอกาสใหม่สำหรับการออกแบบอุปกรณ์พลาสโมนิกที่สูญเสียไปหรือสูญเสีย เป็นการดีที่เราต้องการเปิดใช้งานแอพพลิเคชั่นใหม่และสำคัญในเทคโนโลยีสารสนเทศการตรวจจับทางชีวภาพและการป้องกันประเทศ เราจินตนาการถึงการตรวจสอบของเราที่มีผลกระทบอย่างมากในสาขาการวิจัยอื่น ๆ เช่นโดยใช้ความเข้ากันได้ทางชีวภาพของโครงสร้างอินทรีย์/โลหะไฮบริดของเราโดยการเพิ่มการปล่อยแสงในไดโอดเปล่งแสงและโครงสร้างเลเซอร์
Hans-Peter Wagnerเป็นศาสตราจารย์วิชาฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยซินซินนาติ-Masoud Kaveh-Baghbadoraniเป็นผู้สมัครระดับปริญญาเอกในวิชาฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยซินซินนาติ-
บทความนี้ได้รับการตีพิมพ์ครั้งแรกเมื่อบทสนทนา- อ่านบทความต้นฉบับ-
