La nanofotonica considera come la luce e la materia su scala nanometrica interagiscono tra loro, con i risultati nel campo importanti per le tecniche di nanofabbricazione e nei futuri dispositivi fotonici. Fino a poco tempo fa, le nanoparticelle metalliche sono state utilizzate prevalentemente nei dispositivi nanofotonici. Al giorno d'oggi però, materiali semiconduttori come il silicio vengono presi in considerazione per le nanoparticelle.

I ricercatori della Eindhoven University of Technology (TU/e) e dell'Università di Kyoto hanno pubblicato due documenti chiave in relazione alle configurazioni nanofotoniche basate sul silicio. In occasione della Giornata Internazionale della Luce 2020, un foglio, pubblicato sulla rivista Fotonica ACS , è stato selezionato come uno dei migliori giornali nel campo della fotonica nell'ultimo anno.

Il campo della nanofotonica considera l'interazione delle nanoparticelle con la luce quando la dimensione delle nanoparticelle è approssimativamente uguale alla lunghezza d'onda della luce. Il controllo di questa cosiddetta risposta risonante può avere implicazioni positive per lo sviluppo di nuove tecniche di nanofabbricazione e per applicazioni pratiche come il miglioramento dell'efficienza delle celle solari e dei LED e la sensibilità dei fotorivelatori.

Focus spostato sul silicio

Storicamente, la comunità della nanofotonica ha impiegato nanoparticelle metalliche, dove le cariche libere nelle particelle oscillano dopo l'interazione con il campo elettrico dell'onda elettromagnetica in arrivo (luce). Negli ultimi anni, l'attenzione si è spostata sulle nanoparticelle realizzate con materiali semiconduttori, come il silicio, dove la luce interagisce con gli elettroni legati all'atomo, al contrario delle spese gratuite. Per quanto riguarda le nanoparticelle metalliche, le interazioni tra le nanoparticelle di luce e semiconduttori possono manifestare una risposta oscillatoria o risonante.

Ricercatori presso l'Istituto per l'Integrazione Fotonica (IPI) e il Dipartimento di Fisica Applicata guidati dal Prof. Jaime Gómez Rivas, in collaborazione con l'Università di Kyoto, stanno studiando attivamente l'uso della nanostruttura a semiconduttore per la nanofotonica. Recentemente, hanno pubblicato due risultati chiave sulle riviste Materiali ottici avanzati e Fotonica ACS .

Forte accoppiamento tra materiali organici e nanoparticelle di silicio

Un nuovo filone di ricerca riguarda il regime di accoppiamento forte, dove le interazioni tra la luce e i materiali delle nanoparticelle sono abbastanza forti da modificare le proprietà fondamentali del materiale. Infatti, si ottiene un'ibridazione in cui la materia assume alcune proprietà della luce e la luce assume alcune delle proprietà della materia. Quando i materiali organici vengono utilizzati nei dispositivi optoelettronici, un problema chiave è il degrado dei materiali quando illuminati e la breve distanza su cui le cariche possono propagarsi. Un forte accoppiamento aiuterebbe a limitare questi effetti negativi.

Nel loro primo documento, che è pubblicato in Fotonica ACS , Gabriel Castellanos e collaboratori hanno ottenuto un forte accoppiamento per le oscillazioni sia elettriche che magnetiche tra materiali organici e array di nanoparticelle di silicio policristallino. Questa scoperta apre la strada all'uso di materiali a base di silicio in dispositivi organici optoelettronici, che potrebbe portare ad un aumento delle prestazioni. In occasione della Giornata Internazionale della Luce (16 maggio 2020), questo articolo è stato selezionato dalla rivista Fotonica ACS , pubblicato dall'American Chemical Society, come uno dei 24 documenti più rilevanti nel campo della fotonica tra maggio 2019 e maggio 2020.

Emissione di luce migliorata

Nella seconda carta, Shunsuke Murai e collaboratori hanno dimostrato che array regolari di nanoparticelle di silicio policristallino (diverse forme e dimensioni) che si accoppiano tra loro possono isolare le oscillazioni elettriche e magnetiche. Di conseguenza, quando le molecole di colorante sono vicine agli array, un accoppiamento più forte tra le molecole di colorante e gli array di nanoparticelle di silicio determina una maggiore emissione di luce dalle molecole. Ad esempio, si osserva un miglioramento di 20 volte in determinate direzioni quando accoppiato al campo elettrico degli array di nanoparticelle, mentre si ottiene un miglioramento di cinque volte quando c'è accoppiamento con il campo magnetico. Ciò può avere implicazioni per la progettazione dei futuri LED.