Crédito:Universidade de Tecnologia de Eindhoven
A nanofotônica considera como a luz e a matéria em nanoescala interagem entre si, com descobertas no campo sendo importantes para técnicas de nanofabricação e em futuros dispositivos fotônicos. Até recentemente, nanopartículas metálicas têm sido predominantemente utilizadas em dispositivos nanofotônicos. Hoje em dia, materiais semicondutores como o silício estão sendo considerados para as nanopartículas.
Pesquisadores da Universidade de Tecnologia de Eindhoven (TU / e) e da Universidade de Kyoto publicaram dois artigos importantes em relação às configurações nanofotônicas baseadas em silício. Para marcar o Dia Internacional da Luz 2020, um papel, publicado no jornal ACS Photonics , foi selecionado como um dos principais artigos na área de fotônica no ano passado.
O campo da nanofotônica considera a interação das nanopartículas com a luz quando o tamanho das nanopartículas é aproximadamente igual ao comprimento de onda da luz. O controle dessa chamada resposta ressonante pode ter implicações positivas para o desenvolvimento de novas técnicas de nanofabricação e para aplicações práticas, como melhorar a eficiência de células solares e LEDs e sensibilidades fotodetectoras.
O foco mudou para o silício
Historicamente, a comunidade nanofotônica empregou nanopartículas metálicas, onde cargas livres nas partículas oscilam após a interação com o campo elétrico da onda eletromagnética de entrada (luz). Nos últimos anos, o foco mudou para nanopartículas feitas de materiais semicondutores, como o silício, onde a luz interage com os elétrons ligados ao átomo, em oposição a cobranças gratuitas. Quanto às nanopartículas metálicas, as interações entre a luz e as nanopartículas semicondutoras podem manifestar uma resposta oscilatória ou ressonante.
Pesquisadores do Instituto de Integração Fotônica (IPI) e do Departamento de Física Aplicada liderados pelo Prof. Jaime Gómez Rivas, em colaboração com a Universidade de Kyoto, estão investigando ativamente o uso de nanoestruturas semicondutoras para nanofotônicos. Recentemente, eles publicaram duas descobertas importantes nas revistas Materiais Óticos Avançados e ACS Photonics .
Forte acoplamento entre materiais orgânicos e nanopartículas de silício
Uma nova via de pesquisa está relacionada ao regime de acoplamento forte, onde as interações entre a luz e os materiais das nanopartículas são fortes o suficiente para alterar as propriedades fundamentais do material. Na verdade, uma hibridização resulta em que a matéria assume algumas propriedades da luz e a luz assume algumas das propriedades da matéria. Quando materiais orgânicos são usados em dispositivos optoeletrônicos, uma questão chave é a degradação dos materiais quando iluminados e a curta distância pela qual as cargas podem se propagar. O forte acoplamento ajudaria a limitar esses efeitos negativos.
Em seu primeiro artigo, que é publicado em ACS Photonics , Gabriel Castellanos e colaboradores alcançaram um forte acoplamento para oscilações elétricas e magnéticas entre materiais orgânicos e matrizes de nanopartículas de silício policristalino. Essa descoberta abre caminho para o uso de materiais à base de silício em dispositivos orgânicos optoeletrônicos, o que pode levar a um desempenho aprimorado. Para marcar o Dia Internacional da Luz (16 de maio de 2020), este artigo foi selecionado pela revista ACS Photonics , que é publicado pela American Chemical Society, como um dos 24 artigos mais relevantes no campo da fotônica entre maio de 2019 e maio de 2020.
Emissão de luz aprimorada
No segundo artigo, Shunsuke Murai e colegas de trabalho demonstraram que matrizes regulares de nanopartículas de silício policristalino (diferentes formas e tamanhos) que se acoplam podem isolar oscilações elétricas e magnéticas. Como resultado, quando as moléculas de corante estão perto das matrizes, o acoplamento mais forte entre as moléculas de corante e os arranjos de nanopartículas de silício resulta em emissão aumentada de luz das moléculas. Por exemplo, um aumento de 20 vezes é observado em certas direções quando acoplado ao campo elétrico de matrizes de nanopartículas, enquanto um aumento quíntuplo ocorre quando há acoplamento com o campo magnético. Isso pode ter implicações para o design de LEDs futuros.