Redan på medeltiden användes nanostrukturer av metaller för att skapa vackra färger i glas.
Idag vet vi att färgerna uppstår då ljus vid vissa frekvenser omvandlas till plasmoner i nanopartiklarna. Det betyder att ljuset satt metallpartiklarnas laddningar i rörelse, de börjar svänga fram och tillbaka i takt. Nanopartiklarna fungerar därmed som antenner för ljus, vilket gör dem användbara inom många olika områden. Som exempel utforskas optiska nanoantenner till alltifrån energiomvandling och fotokatalys till biosensorer och extremt tunna plana linser.
Forskare vid Laboratoriet för organisk elektronik, Linköpings universitet, har nu tagit fram sådana dynamiskt justerbara nanoantenner genom att göra dem av en ledande polymer. Nanoantennerna kan slås om och få antingen metalliska eller dielektriska egenskaper i ett våglängdsområde strax utanför det synliga.
Nanoantennerna kan stängas av och sättas på upprepade gånger. Foto Thor Balkhed
– Polymerer ses ju oftast som icke-ledande plaster, men förutom att en ledande polymer kan transportera elektricitet kan dess elektriska ledningsförmåga även ändras fram och tillbaka via redoxtillståndet hos polymeren, det vill säga hur positivt eller negativt laddat materialet är. Vi utforskar detta beteende för en ny typ av dynamisk organisk nanooptik, säger professor Magnus Jonsson, forskningsledare inom organisk fotonik och nanooptik vid Laboratoriet för organisk elektronik.
Ett av de viktiga framstegen i den nya studien är att forskarna nu kan kontrollera de optiska nanoantennerna på elektrisk väg – ett viktigt steg mot mer användbara praktiska tillämpningar.
Akchheta Karki Foto Thor Balkhed– Genom att tillverka nanoantennerna på en transparent elektrod och belägga dem med en jonledande gel kan vi kontrollera redoxtillståndet med hjälp av en elektrisk spänning, säger Akchheta Karki, postdoktor vid Laboratoriet för organiska elektronik och huvudförfattare till studien.
– Förutom att vi kan stänga av och sätta på antennerna upprepade gånger kan vi också justera dem gradvis med hjälp av den pålagda spänningen, säger hon.
– Vår forskning visar att ledande polymerer utgör en intressant ny typ av material för justerbar nanooptik, tack vare möjligheten att styra deras egenskaper mellan att vara metalliska och dielektriska. Övergången från statisk nanooptik till en nanooptik som är dynamisk och justerbar är viktig för många framtida applikationer, där några exempel är styrbar metaoptik och smarta fönster, säger Magnus Jonsson.
Forskningen har finansierats av Knut och Alice Wallenberg Stiftelse via ett Wallenberg Academy Fellowship, av Vetenskapsrådet, Stiftelsen för strategisk forskning samt via den nationella strategiska satsningen på avancerade funktionella material, AFM, vid Linköpings universitet.
Artikeln: Electrical Tuning of Plasmonic Conducting Polymer Nanoantennas Akchheta Karki, Giancarlo Cincotti, Shangzhi Chen, Chuanfei Wang, Vallery Stanishev, Vanya Darakchieva, Mats Fahlman, Magnus P. Jonsson, Advanced Materials 2022, DOI 10.1002/adma.202107172
Idag vet vi att färgerna uppstår då ljus vid vissa frekvenser omvandlas till plasmoner i nanopartiklarna. Det betyder att ljuset satt metallpartiklarnas laddningar i rörelse, de börjar svänga fram och tillbaka i takt. Nanopartiklarna fungerar därmed som antenner för ljus, vilket gör dem användbara inom många olika områden. Som exempel utforskas optiska nanoantenner till alltifrån energiomvandling och fotokatalys till biosensorer och extremt tunna plana linser.
Justerbara antenner
En begränsning har varit att optiska nanoantenner gjorda av konventionella metaller, som guld eller silver, har fasta egenskaper som inte kan justeras efter att de tillverkats. Det är något som begränsar användningen. För att få fram dynamiskt justerbara nanoantenner har forskare därför börjat utforska material med optiska egenskaper som kan ändras fram och tillbaka. Ett idealiskt material ska kunna växla mellan att vara optiskt metalliskt och dielektriskt, och hela vägen däremellan, gång på gång.Forskare vid Laboratoriet för organisk elektronik, Linköpings universitet, har nu tagit fram sådana dynamiskt justerbara nanoantenner genom att göra dem av en ledande polymer. Nanoantennerna kan slås om och få antingen metalliska eller dielektriska egenskaper i ett våglängdsområde strax utanför det synliga.
– Polymerer ses ju oftast som icke-ledande plaster, men förutom att en ledande polymer kan transportera elektricitet kan dess elektriska ledningsförmåga även ändras fram och tillbaka via redoxtillståndet hos polymeren, det vill säga hur positivt eller negativt laddat materialet är. Vi utforskar detta beteende för en ny typ av dynamisk organisk nanooptik, säger professor Magnus Jonsson, forskningsledare inom organisk fotonik och nanooptik vid Laboratoriet för organisk elektronik.
Plasmoniska egenskaper
I en tidigare artikel i Nature Nanotechnology visade samma forskningsgrupp att vissa ledande polymerer kan göras tillräckligt ledande för att få plasmoniska egenskaper. De tillverkade nanoantenner av en sådan polymer, antenner som kunde stängas av och sättas på då proverna exponerades för olika gaser och vätskor som förändrade polymerens redoxtillstånd.Ett av de viktiga framstegen i den nya studien är att forskarna nu kan kontrollera de optiska nanoantennerna på elektrisk väg – ett viktigt steg mot mer användbara praktiska tillämpningar.
– Förutom att vi kan stänga av och sätta på antennerna upprepade gånger kan vi också justera dem gradvis med hjälp av den pålagda spänningen, säger hon.
Styrbar optik och smarta fönster
Forskarna jämför sina experimentella resultat med optiska simuleringar och beräkningar för att bättre förstå vilka bakomliggande mekanismer som styr processen. Resultaten tyder på att antennerna styrs genom förändring av både täthet och rörlighet hos laddningsbärarna i den ledande polymeren.– Vår forskning visar att ledande polymerer utgör en intressant ny typ av material för justerbar nanooptik, tack vare möjligheten att styra deras egenskaper mellan att vara metalliska och dielektriska. Övergången från statisk nanooptik till en nanooptik som är dynamisk och justerbar är viktig för många framtida applikationer, där några exempel är styrbar metaoptik och smarta fönster, säger Magnus Jonsson.
Forskningen har finansierats av Knut och Alice Wallenberg Stiftelse via ett Wallenberg Academy Fellowship, av Vetenskapsrådet, Stiftelsen för strategisk forskning samt via den nationella strategiska satsningen på avancerade funktionella material, AFM, vid Linköpings universitet.
Artikeln: Electrical Tuning of Plasmonic Conducting Polymer Nanoantennas Akchheta Karki, Giancarlo Cincotti, Shangzhi Chen, Chuanfei Wang, Vallery Stanishev, Vanya Darakchieva, Mats Fahlman, Magnus P. Jonsson, Advanced Materials 2022, DOI 10.1002/adma.202107172
