I ricercatori della Rice University hanno scoperto un nuovo modo per effettuare misurazioni della conducibilità ultrasensibile a frequenze ottiche su componenti elettronici su nanoscala ad alta velocità.

La ricerca del Rice's Laboratory for Nanophotonics (LANP) è descritta online in un nuovo studio sulla rivista dell'American Chemical Society ACS Nano . In una serie di esperimenti, I ricercatori di LANP hanno collegato coppie di nanodischi metallici a forma di disco con nanofili metallici e hanno mostrato come il flusso di corrente a frequenze ottiche attraverso i nanofili producesse "plasmoni a trasferimento di carica" ​​con firme ottiche uniche.

"La spinta per aumentare continuamente la velocità dei componenti dei microchip ha portato i ricercatori a guardare a dispositivi e componenti su scala nanometrica che funzionano a frequenze ottiche per l'elettronica di prossima generazione, ", ha affermato il direttore della LANP Naomi Halas, lo scienziato capo dello studio. "Non è noto come questi materiali e componenti operino a frequenze di luce estremamente elevate, e la nuova tecnica di LANP fornisce un modo per misurare le proprietà di trasporto elettrico di nanomateriali e strutture a queste frequenze estremamente elevate".

Halas è Stanley C. Moore Professor di Ingegneria Elettrica e Informatica e professore di chimica, bioingegneria, fisica e astronomia, e scienza dei materiali e nanoingegneria. Il suo laboratorio è specializzato nello studio delle nanoparticelle che interagiscono con la luce. Per esempio, alcune nanoparticelle metalliche convertono la luce in plasmoni, onde di elettroni che scorrono come un fluido sulla superficie della particella. In dozzine di studi negli ultimi due decenni, I ricercatori LANP hanno esplorato la fisica di base della plasmonica e mostrato come le interazioni plasmoniche possono essere sfruttate per applicazioni diverse come la diagnostica medica, trattamento per il cancro, raccolta di energia solare e calcolo ottico.

Un tipo di interazione plasmonica che il team di Halas ha studiato a lungo è l'accoppiamento plasmonico, una sorta di danza interattiva in cui i plasmoni si impegnano quando due o più particelle plasmoniche si trovano l'una vicino all'altra. Ad esempio, quando due nanodischi plasmonici a forma di disco si trovano uno vicino all'altro, si comportano come un piccolo, condensatore attivato dalla luce. Quando un filo conduttore viene utilizzato per collegare i due, le loro energie plasmoniche cambiano e una nuova risonanza chiamata plasmone di "trasferimento di carica", appare con una frequenza distinta.

Nella nuova ricerca, l'autore principale dello studio Fangfang Wen, uno studente laureato Rice presso LANP, ha esaminato le proprietà ottiche di coppie di nanodischi collegati a ponte. Quando ha creato plasmoni nelle coppie, osservò la carica che scorreva avanti e indietro lungo i fili a frequenze ottiche. Nell'esaminare i plasmoni a trasferimento di carica in queste coppie, scoprì che la corrente elettrica che scorreva attraverso la giunzione introduceva una caratteristica firma ottica.

"Nel caso in cui fosse presente un filo conduttore nella giunzione, abbiamo visto una firma ottica molto diversa dalla custodia senza filo, " ha detto Wen. Wen ha quindi impostato una serie di esperimenti in cui ha variato la larghezza e la forma dei nanofili a ponte e ha ripetuto queste misurazioni per i nanofili di due metalli diversi, oro e alluminio.

Questi esperimenti hanno rivelato due risultati chiave. Primo, all'estremità inferiore della scala di conduttanza, ha scoperto che anche i più piccoli cambiamenti nella conduttività hanno portato a notevoli spostamenti ottici, una scoperta che potrebbe essere particolarmente interessante per i ricercatori di elettronica molecolare interessati a misurare la conduttività in strutture piccole come una singola molecola.

"Abbiamo anche scoperto che la nostra piattaforma ha fornito una firma ottica diversa nei casi in cui il livello di conduttanza era lo stesso ma il materiale di giunzione era diverso, " Wen ha detto. "Se avessimo nanofili con la stessa conduttanza fatti di materiali diversi, abbiamo visto una firma ottica diversa. Se usassimo lo stesso materiale, con geometrie diverse, abbiamo visto la stessa firma".

Questa specificità e ripetibilità potrebbe essere utile anche ai ricercatori che potrebbero voler utilizzare questo approccio per identificare la conduttanza dei nanofili, o altri componenti elettronici su scala nanometrica, alle frequenze ottiche. "La conduttanza di frequenza ottica della maggior parte dei materiali non è nota, " ha detto. "Questo fornisce un metodo utile e pratico per misurare questa proprietà.

"Per ridurre le dimensioni dell'elettronica anche oltre i limiti odierni, gli scienziati vogliono studiare il trasferimento di elettroni attraverso una singola molecola, particolarmente a livelli estremamente alti, anche frequenze ottiche, " Wen ha detto. "Tali cambiamenti non possono essere misurati utilizzando dispositivi elettronici standard o strumenti che operano alle frequenze delle microonde. La nostra ricerca fornisce una nuova piattaforma per la misurazione della conduttanza su scala nanometrica alle frequenze ottiche".

In riconoscimento del potenziale della ricerca per migliorare "la vita delle persone attraverso il potere trasformante della chimica, " L'American Chemical Society ha reso il documento una scelta degli editori di ACS e lo sta rendendo disponibile gratuitamente per l'accesso del pubblico online.