09 december 2019

Forskare vid Laboratoriet för organisk elektronik har tagit fram optiska nanoantenner i en ledande polymer. Antennerna som dessutom kan stängas av och sättas på öppnar för en helt ny typ av styrbar nanooptik. Resultatet presenteras i Nature Nanotechnology.

Shangzhi Chen, doktorand och Magnus Jonsson, som leder gruppen inom organisk fotonik och nanooptik vid Laboratoriet för organisk elektronik
Shangzhi Chen, doktorand och Magnus Jonsson, som leder gruppen inom organisk fotonik och nanooptik vid Laboratoriet för organisk elektronik Fotograf: THOR BALKHED
Plasmoner uppkommer när ljus interagerar med metalliska nanopartiklar. Det infallande ljuset startar en kollektiv oscillation, gemensam rörelse fram och tillbaka, av elektronerna i partiklarna. Det är den kollektiva oscillationen som är själva plasmonen. Nanostrukturer i metall och deras förmåga att forma ljus på nanoskalan studeras av ett stort antal forskargrupper i världen för användning i exempelvis biosensorer, optiska pincetter, för energiöverföring liksom för att förstärka andra optiska fenomen. I framtiden hägrar användningsområden alltifrån miniatyriserad medicinsk apparatur till fönster som styr inflödet av ljus och värme in och ut ur byggnader.

Optiska nanoantenner

I en artikel i Nature Nanotechnology presenterar nu forskare vid Linköpings universitet optiska nanoantenner, gjorda av en ledande polymer, i detta fall en variant av den populära polymeren PEDOT. Plasmoner förknippas annars främst med metaller, som guld och silver.

Miljarder nanodiskar deponeras på en kvadratcentimeter stor yta. Var och en av dem reagerar på det infallande ljuset och skapar plasmoner.Miljarder nanodiskar deponeras på en kvadratcentimeter stor yta. Var och en av dem reagerar på det infallande ljuset och skapar plasmoner. Foto Illustration: Conceptualized– Vi visar att ljus kan omvandlas till plasmoner i nanostrukturer av det organiska materialet, säger Magnus Jonsson, som leder gruppen inom organisk fotonik och nanooptik vid Laboratoriet för organisk elektronik.

Nu är det inte elektroner som skapar plasmonen i den ledande polymeren, utan polaroner. En polymer består av en lång kedja av hopkopplade atomer. I den ledande polymer forskarna arbetar med här är det positiva laddningar utmed polymerkedjan som står för ledningsförmågan. Det är dessa positiva laddningar som blir till polaroner och som startar en kollektiv oscillation när nanostrukturen träffas av ljus.
– I våra experiment reagerar de på ljus som har något längre våglängd än det synliga ljuset, vilket gör dem extra intressanta för exempelvis smarta fönster, säger Magnus Jonsson.

Miljarder diskar

Här har forskarna först teoretiskt beräknat och simulerat sig fram till det experiment som de sedan utfört med lyckat resultat. Shangzhi Chen, doktorand vid Laboratoriet för organisk elektronik, har lyckats framställa miljarder nanosmå diskar, plattor, av det organiskt ledande materialet på en yta. Det är dessa små diskar som reagerar på ljus och fungerar som små antenner.

Forskarna har också visat att såväl diametern som tjockleken på diskarna påverkar vilken frekvens av ljus de reagerar på. De kan alltså styra våglängden genom att ändra geometrin på disken. Ju tjockare disk, desto högre frekvens. De hoppas också att de genom att förändra polymeren ska kunna öka det spektrum av ljus som nanoantennerna reagerar på.

Plasmoner i plastPlasmoner i plast. Foto THOR BALKHEDNästa nyhet är att nanoantennerna i det organiska materialet, till skillnad från sina metall-kusiner, går att stänga av och sätta på. När materialet tillverkas i laboratoriet är det i ett oxiderat tillstånd, och nanoantennerna är påslagna.
– Vi har visat att när vi reducerar materialet genom att tillföra en gas så stänger vi av ledningsförmågan och därmed även antennerna. Oxiderar vi det igen exempelvis med svavelsyra så blir det åter ledande och antennen slås på igen. Det här är en relativt långsam process ännu så länge, men vi har tagit de första stegen och visat att det går, säger Magnus Jonsson.

– Det här är grundforskning, men våra resultat öppnar för en helt ny typ av styrbar nanooptik som vi tror kan vara användbar för många applikationer i framtiden.

Studien har bedrivits i samarbete mellan forskare vid bland annat Laboratoriet för organisk elektronik och Terahertz Materials Analysis Center, båda vid Linköpings universitet. Finansiellt stöd kommer bland annat från Vetenskapsrådet och den strategiska satsningen på avancerade funktionella material, AFM, vid Linköpings universitet.

Conductive polymer nanoantennas for dynamic organic plasmonics, Shangzhi Chen, Evan S. H. Kang, Mina S. Chaharsoughi, Vallery Stanishev, Philipp Kühne, Hengda Sun, Vanya Darakchieva and Magnus P. Jonsson, Nature Nanotechnology 2019, doi 10.1038/s41565-019-0583-y

Plasmoner i plastAtt stänga av och sätta på antennerna är fortfarande en långsam process. Foto THOR BALKHED

Plasmoner i medeltida glas

Miljarder nanodiskar deponeras på en kvadratcentimeter stor yta. Var och en av dem reagerar på det infallande ljuset och skapar plasmoner.
Det är plasmoner som skapar det vackra skimmer som finns i det konstglas som bland annat användes i medeltidens kyrkfönster och moskéer. Glasen färgades genom att man bäddade in metallpartiklar. Fast att fenomenet berodde på plasmoner visste man inte då.
Ett riktigt tidigt exempel på plasmonik i glas är Lycurgus-koppen som finns att beskåda på British Museum i London.

Kontakt

Fler nyheter från Laboratoriet för organisk elektronik

Pipettspets mot svart bakgrund.

Pipetten som kan aktivera enskilda hjärnceller

Forskare vid LiU har utvecklat en pipett som kan leverera joner till enskilda hjärnceller utan att skapa störningar i den känsliga miljön utanför cellerna. Tekniken kan ge viktiga insikter om hur enskilda celler påverkas och hur de samarbetar.

En silikonliknande lapp (batteri baserat på ledande plast och lignin) som dras åt olika håll.

Batteriet som kan få vilken form som helst

Med hjälp av elektroder i vätskeform har forskare vid LiU utvecklat ett batteri som kan anta vilken form som helst. Tack vare formbarheten kan batteriet integreras på helt nya sätt i framtidens teknik. Studien är publicerad i Science Advances.

Person i skyddskläder vid ett mikroskop.

Enskild cell kan kopplas till elektroder av plast

Forskare vid LiU har lyckats skapa en nära koppling mellan enskilda celler och organisk elektronik. Studien lägger grunden för att på sikt kunna behandla bland annat neurologiska sjukdomar med mycket hög precision.

Fler nyheter

Forskning

Senaste nytt från LiU

Stadsmiljö med bilar.

Byggprojekt i städer – så kan det bli mindre störningar

Att någon har helhetsperspektivet över alla byggprojekt i en stad är den viktigaste faktorn för att störningarna ska bli så få som möjligt. Men det är lättare sagt än gjort. Det visar forskare från LiU i en ny bok.

Mikael Asplund i cybersäkerhetslabbets lokaler.

Nytt cybersäkerhetslabb vid LiU

Det nya cybersäkerhetslabbet vid Linköpings universitet är en milstolpe i satsningen på utbildning inom området. Studenterna ska känna att "wow, här är det möjligt att göra något spännande", sa vicerektor Matts Karlsson vid invigningen den 7 maj.

Porträttfoto, kvinna.

Ministern fick se högteknologi inom svenskt jordbruk

Klimat- och miljöministern Romina Pourmokhtari besökte Agtech Sweden och imponerades av alla de tekniska innovationer som nu växer fram inom svenskt jordbruk.