Investigadores de la Universidad de Duke han aumentado en gran medida la capacidad de manipular la luz de las metasuperficies al tiempo que mejoran su resiliencia ambiental al cambiar un proceso de producción tradicional basado en el laboratorio.
La combinación podría permitir el uso de estas tecnologías en rápida evolución en una variedad de aplicaciones del mundo real, tales como: B. Cámaras que pueden capturar imágenes rápidamente en una variedad de condiciones de iluminación.
El diario nano letras publicó los resultados en línea el 1 de julioS t2022.
En esencia, la plasmónica es una técnica que atrapa la energía de la luz en grupos de electrones que vibran sobre una superficie metálica. Esto crea un campo electromagnético débil pero fuerte que interactúa con la luz incidente.
Estos grupos de electrones, llamados plasmones, a menudo se excitan en las superficies de los nanocubos metálicos. El sistema se puede modificar para absorber longitudes de onda de luz específicas ajustando la base metálica subyacente, el tamaño de los nanocubos y la separación entre ellos.
Tres capas componen estas llamadas metasuperficies plasmónicas: una base de metal cubierta con un sustrato transparente de solo unos pocos nanómetros de espesor, seguida de nanocubos de plata. Este arreglo ha demostrado su eficacia en pruebas de laboratorio, pero limita la libertad creativa.
Los investigadores estaban limitados en cuanto a las formas que podían usar porque parte de la nanopartícula tenía que estar a unos pocos nanómetros de la superficie metálica subyacente.
Maiken Mikkelsen, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Duke, James N. y Elizabeth H. Barton, y sus colegas decidieron intentar colocar cada nanopartícula en su propio pozo o cavidad para superar este requisito de planitud.
Esto encapsularía completamente la mitad inferior de las nanopartículas en metal, lo que permitiría que tanto los lados como los fondos albergaran plasmones. Sin embargo, debido a las tolerancias extremadamente estrictas, es mucho más fácil decirlo que hacerlo.
En la superficie de una oblea del tamaño de un centímetro, necesitamos controlar ciertas dimensiones con una precisión de un nanómetro. Es como tratar de controlar el grosor de las briznas de hierba en un campo de fútbol.
Mike Mikkelsen. The James N. and Elizabeth H. Barton Profesor Asociado, Ingeniería Eléctrica e Informática, Escuela de Ingeniería Duke Pratt
Mikkelsen y su grupo cambiaron efectivamente el proceso de fabricación convencional para abordar esta dificultad. Comienzan con los nanocubos, los cubren con una capa espaciadora extremadamente delgada que coincide exactamente con la geometría subyacente y luego terminan con una capa de metal en lugar de comenzar con una superficie de metal y agregar un sustrato transparente delgado en la parte superior.
Los nanocubos son las piñas recubiertas de azúcar caramelizada y horneadas sobre una base delgada, casi haciéndolas parecer un pastel de piña al revés.
Mikkelsen y sus colegas pudieron realizar experimentos en 3D con formas novedosas de nanopartículas porque las múltiples superficies de los nanocubos ahora podían atrapar plasmones dentro de los espacios. En el estudio, los científicos probaron esferas sólidas y cuboctaedros, es decir, una estructura con ocho lados triangulares y seis caras cuadradas, así como esferas de metal con núcleos de cuarzo.
Mikkelsen agregó: «Sintetizar nanopartículas puede ser difícil y existen limitaciones para cada forma. Al poder usar casi cualquier forma, realmente abrimos muchas posibilidades nuevas, incluida la exploración de una variedad de metales.”
Los resultados de las pruebas mostraron que la nueva técnica de producción no solo puede igualar o incluso superar las capacidades de las técnicas anteriores que usaban nanocubos de plata, sino que también puede expandir el espectro de frecuencias aprovechadas mediante el uso de estos diferentes metales y geometrías.
El estudio también mostró que estas diferencias alteran la ubicación de las trampas de energía de las nanopartículas en sus superficies. El nuevo método puede permitir que la tecnología se utilice para alimentar procesos químicos o detectores térmicos, además del beneficio adicional de resistir eficazmente todo el dispositivo al encerrar las nanopartículas.
El proyecto del Departamento de Defensa de $ 7,5 millones en el que Mikkelsen está trabajando para desarrollar una «súper cámara» que pueda registrar y procesar una variedad de propiedades de la luz, incluida la polarización, la profundidad, la fase, la coherencia y el ángulo de incidencia, tiene para ellos prioridad sobre todos los demás proyectos. .
«Cabe destacar especialmente que grandes áreas macroscópicas pueden cubrirse con las metasuperficies de forma muy económica, ya que utilizamos técnicas de fabricación completamente libres de litografía. Esto significa que las metasuperficies pueden integrarse con otras tecnologías existentes y también inspirar nuevas aplicaciones de metasuperficies plasmónicas.—dijo Mikkelsen—.
La Oficina de Investigación del Ejército (W911NF1610471), la Oficina de Investigación Naval (N00014-17-1-2589) y la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea (FA9550-18-383 1-0326, FA9550-21-1-0312) financiaron este estudiar.
Referencia de la revista:
Stewart, JW, y otros. (2022) Control de la generación de calor a nanoescala con absorbentes de metasuperficies sin litografía. nano letras. doi:10.1021/acs.nanolett.2c00761
Fuente: https://pratt.duke.edu/
