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 online gepubliceerd in het prestigieuze tijdschrift Physical Review Letters.

Foto van een rooster van gouden nanoantennes genomen met een elektronenmicroscoop.

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.

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.

Inmiddels kunnen onderzoekers de nanoantennes in periodieke structuren 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, 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. De mogelijkheid om de emissie van moleculen te manipuleren door roosters van nanoantennes is zeer veelbelovend voor toekomstige optische apparaten, zoals efficiënte LED’s met gecontroleerde ruimtelijke emissie.