17 december 2014
Piramidevormige nanoschaal antennes sturen licht naar boven en beneden
Onderzoekers van het FOM-instituut AMOLF en Philips Research hebben een nieuw soort nanoschaal antenne voor licht ontworpen en gebouwd. Anders dan de gebruikelijke antennes, die lijken op rechte pilaren, zien deze antennes eruit als piramides. De piramidevorm vergroot de interferentie tussen de magnetische en elektrische velden van licht. Daardoor is de antenne in staat om verschillende kleuren licht te versterken en in tegenovergestelde richtingen uit te zenden. De ontdekking zou leds efficiënter kunnen maken. De onderzoekers publiceerden hun resultaten op 12 december online in Physical Review Letters.
Afbeelding: Lichtintensiteit
De figuur laat de intensiteit van de lichtuitzending (PLE, fotoluminescentie-excitatie) zien bij verschillende golflengtes (kleuren) van het licht, van de afzonderlijke piramidevormige antennes ten opzichte van die in een rooster. Bij een golflengte van ongeveer 650 nanometer piekt de afzonderlijke antenne, terwijl het collectief van antennes in het rooster piekt bij ongeveer 580 nanometer. Het plaatje van het rooster (rechtsboven) is gemaakt met een elektronenmicroscoop. De kleur van de pijl correspondeert met die van de grafiek.
Afzonderlijke antennes
Een rechte nanoschaal antenne reageert voornamelijk op het elektrische veld van licht. Dat betekent dat deze antennes de effecten van het magnetische veld van licht, dat de helft van de totale energie bevat, negeren. Lange tijd behandelden onderzoekers dit niet als een oplosbaar probleem, omdat de meeste metalen waarvan de antennes gemaakt worden gewoonweg niet op het magnetische veld van licht reageren.
Ontwikkelingen in het onderzoek naar metamaterialen hebben daar sinds kort verandering in gebracht. Antennes die juist wel sterk reageren op het magnetische veld van licht, wat voorheen als onmogelijk werd beschouwd, kunnen gemaakt worden door metalen op nanoschaal te ordenen.
Met deze ideeën in hun achterhoofd bouwden de AMOLF- en Philips-onderzoekers piramidevormige antennes. Door de hoogte en hellingshoek van de zijwanden van de antenne nauwkeurig te ontwerpen, reageren deze antennes bijna net zo sterk op het magnetische veld van licht als op het elektrische veld.
Antennes in een rooster
Na het waarnemen van bovengenoemde effecten in afzonderlijke nanoschaal antennes gingen de onderzoekers een stap verder door meerdere piramidevormige antennes in een rooster te plaatsen. Het effect dat de antennes op elkaar hebben blijkt enorm. Bij een bepaalde golflengten van licht, oftewel kleur, koppelen de antennes zich aan elkaar via het licht dat verstrooid wordt op het roosteroppervlak. De groep antennes is daardoor effectiever in het uitzenden van licht dan de afzonderlijke antennes. Daarnaast kan het rooster collectief op één golflengte werken, terwijl de afzonderlijke antennes tegelijkertijd op een andere golflengte werken. Op die manier kan het rooster van piramidevormige antennes tegelijkertijd licht van de ene kleur naar boven toe uitzenden en licht van een andere kleur naar beneden toe.
Toepassingen
Het rooster van piramidevormige antennes biedt mogelijkheden voor het verbeteren van leds. Momenteel zijn veel leds ontworpen om licht in één richting uit te zenden, bijvoorbeeld naar boven. Zulke leds worden bijvoorbeeld gebruikt in autolampen of spotjes. Helaas zendt het lichtuitzendende materiaal in een led juist evenveel licht uit naar boven en naar beneden. Omdat alleen het naar boven uitgezonden licht bruikbaar is, moet het licht dat naar beneden uitgezonden wordt gerecycled worden. Daartoe bevat een ledlamp meerdere optische elementen, zoals spiegels. Deze elementen maken een led groter en minder efficiënt, omdat er onvermijdelijk wat licht verloren gaat tijden het recycleproces.
Het integreren van de piramidevormige antennes in de led zou een eind kunnen maken aan deze problemen. De piramidevormige antennes kunnen selectief een bepaalde kleur licht naar boven uitzenden. Als er een ongewenste kleur licht aanwezig is, kan de antenne die juist naar beneden zenden. Dat zou de efficiëntie van de afzonderlijke led kunnen verhogen en de integratie in gecombineerde led systemen verbeteren.
Referentie
Breaking the symmetry of forward-backward light emission with localized and collective magnetoelectric resonances in arrays of pyramid-shaped aluminum nanoparticles , S.R.K. Rodriguez, F. Bernal. T.P Steinbusch, M.A. Verschuuren, A.F. Koenderink en J. Gómez Rivas, Physical Review Letters, 12 december 2014.
