Durch die Kombination von Elektronik und Infrarotlicht können kleine, schnelle und empfindliche Geräte zur Erfassung, Bildgebung und Signalübertragung auf molekularer Ebene entstehen. Im Infrarotspektrum müssen Materialien jedoch strenge Qualitätsanforderungen an ihre Kristalle erfüllen, um die Anforderungen für diese Funktionen zu erfüllen.
Jetzt haben Forscher einen verbesserten Weg gefunden, hochwertige Kristalle herzustellen, die bei Infrarotlicht eine starke Resonanz aufweisen. Sie testeten diese bandförmigen Nanokristalle („Nanoribbons“) mit einer einzigartigen Infrarotsonde. Die Nanobänder weisen die höchste gemessene Qualität auf, die bisher für solche Materialien gemessen wurde. Diese Qualität macht die Kristalle zu hervorragenden Aussichten für den Einsatz in Hochleistungs-Infrarotgeräten.
In ihrer Studie, veröffentlicht in ACS Nano Im Jahr 2022 stellten die Forscher die Nanobänder mithilfe eines Ansatzes namens Flame Vapour Deposition (FVD) her. FVD ist schnell, kostengünstig und skalierbar. Es ist eine Verbesserung gegenüber einer früheren Methode, bei der Klebeband zum Abziehen von Materialschichten von einem Schüttgut verwendet wurde. FVD erfordert auch keine zusätzlichen Behandlungen, die die Kristalle beschädigen und verunreinigen können, was ihre Qualität beeinträchtigt.
Die mittels FVD hergestellten Nanobänder verfügen über außergewöhnlich glatte, parallele Kanten, die als reflektierende Oberflächen fungieren. Dadurch können die Nanobänder auf natürliche Weise als ideale Resonanzhohlräume für stehende Schwingungswellen fungieren. Die Arbeit ermöglicht die direkte, schnelle und skalierbare Produktion hochwertiger Infrarotresonatoren für Forschung und Entwicklung.
Mittels FVD züchteten Forscher Nanobänder aus Molybdänoxid (MoO3), einem Material, das Eigenschaften aufweist, die möglicherweise nützlich sind, um seine Resonanzen auf Frequenzen von Infrarotlicht abzustimmen. Sie kontrollierten die Größe und Form der synthetisierten Proben durch Variation von Temperatur, Molybdänkonzentration und Zeit.
Um die Qualität dieser Nanoresonatoren zu messen, verwendeten die Forscher die Synchrotron-Infrarot-Nanospektroskopie (SINS) an der Advanced Light Source, einer Benutzereinrichtung des Office of Science des Department of Energy (DOE) am Lawrence Berkeley National Laboratory. SINS verwendet die Spitze eines Rasterkraftmikroskops, um Infrarotlichtstrahlen aus der Synchrotronstrahlung auf eine Punktgröße zu fokussieren, die kleiner als die Wellenlänge des Infrarotlichts ist.
Die resultierenden Resonanzkarten charakterisieren erstmals vollständig die Ultrabreitband-Infrarotantwort von FVD-synthetisierten MoO3-Nanobändern mit hoher räumlicher und spektraler Auflösung und erkennen Resonanzmoden jenseits der 10. Ordnung. Die Qualitätsfaktoren – ein Maß für die Schärfe der Resonanzen – liefern einen klaren Beweis für die hohe Kristallqualität der synthetisierten Nanobänder.
Mehr Informationen:
Shang-Jie Yu et al., Ultrahochwertige Infrarot-Polaritonenresonatoren basierend auf Bottom-Up-synthetisierten Van-der-Waals-Nanobändern, ACS Nano (2022). DOI: 10.1021/acsnano.1c10489