Naukowcy z Instytutu Fritza Habera poczynili postępy nanoskala optoelektroniki poprzez opracowanie metody kontrolowania jednocząsteczkowego fotoprzełączania z atomową precyzją.
Metoda ta wykorzystuje zlokalizowane plazmony powierzchniowe na platformach półprzewodnikowych w celu precyzyjnego dostosowania konfiguracji molekularnych, zwiększając wydajność i możliwości adaptacyjne urządzenia. Ta innowacja zapewnia znaczną poprawę miniaturyzacji i funkcjonalności przyszłych urządzeń elektronicznych i fotonicznych, potencjalnie wpływając na szeroki zakres zastosowań, w tym czujniki i ogniwa fotowoltaiczne.
Przełomowe odkrycie w optoelektronice w nanoskali
Optoelektronika w nanoskali to szybko rozwijająca się dziedzina skupiająca się na opracowywaniu urządzeń elektronicznych i fotonicznych w skali nanometrowej. Te maleńkie urządzenia mogą zrewolucjonizować technologię, sprawiając, że komponenty będą szybsze, mniejsze i bardziej energooszczędne. Osiągnięcie precyzyjnej kontroli nad fotoreakcjami na poziomie atomowym ma kluczowe znaczenie dla miniaturyzacji i optymalizacji tych urządzeń.
Zlokalizowane plazmony powierzchniowe (LSP), czyli fale świetlne generowane na powierzchniach materiałów w nanoskali, okazały się potężnymi narzędziami w tej dziedzinie, zdolnymi do ograniczania i wzmacniania pól elektromagnetycznych. Do tej pory zastosowanie LSP ograniczało się głównie do konstrukcji metalowych, co według zespołu mogło ograniczyć miniaturyzację optoelektroniki.
Poza nanoskalą: atomowa precyzyjna kontrola fotoprzełączania
Te pionierskie badania skupiają się na zastosowaniu LSP do kontrolowania reakcji chemicznych na poziomie atomowym. Zespołowi pomyślnie rozszerzono funkcjonalność LSP na platformy półprzewodnikowe. Dzięki zastosowaniu końcówki rezonansu plazmonowego w niskotemperaturowym skaningowym mikroskopie tunelowym umożliwili odwracalne podnoszenie i opadanie pojedynczych cząsteczek organicznych na powierzchni krzemu. LSP na końcówce powoduje zerwanie i utworzenie specyficznych wiązań chemicznych pomiędzy cząsteczką a krzemem, co skutkuje odwracalnym przełączeniem. Szybkość przełączania można regulować poprzez położenie końcówki z wyjątkową precyzją aż do 0,01 nanometra. Ta precyzyjna manipulacja pozwala na odwracalne zmiany pomiędzy dwiema różnymi konfiguracjami molekularnymi.
Dodatkowym kluczowym aspektem tego przełomu jest możliwość przestrajania funkcji optoelektronicznej poprzez modyfikację molekularną na poziomie atomowym. Zespół potwierdził, że fotoprzełączanie jest hamowane w przypadku innej cząsteczki organicznej, w której znajduje się tylko jeden tlen atom brak wiązania z krzemem jest zastępowany atomem azotu. To chemiczne dostosowanie jest niezbędne do dostrojenia właściwości jednocząsteczkowych urządzeń optoelektronicznych, umożliwiając projektowanie komponentów o określonych funkcjach i torując drogę dla bardziej wydajnych i elastycznych systemów nanooptoelektronicznych.
Przyszłe kierunki
Badania te dotyczą krytycznej przeszkody w rozwoju urządzeń w skali nano, oferując metodę precyzyjnego kontrolowania dynamiki reakcji pojedynczych cząsteczek. Co więcej, odkrycia sugerują, że nanozłącza metal, pojedyncza cząsteczka i półprzewodnik mogą służyć jako wszechstronne platformy dla nanooptoelektroniki nowej generacji. Mogłoby to umożliwić znaczny postęp w dziedzinie czujników, diod elektroluminescencyjnych i ogniw fotowoltaicznych. Precyzyjne manipulowanie pojedynczymi cząsteczkami pod wpływem światła może znacząco wpłynąć na rozwój technologii, zapewniając szersze możliwości i elastyczność w projektowaniu urządzeń.
Odniesienie: „Atomic-precission control of Plasmon-Induced Single Molecule Switching in a metal-Semiconductor nanojunction” autorstwa Youngwook Park, Ikutaro Hamada, Adnan Hammud, Takashi Kumagai, Martin Wolf i Akitoshi Shiotari, 7 sierpnia 2024 r., Komunikacja przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41467-024-51000-w
