Campo localizzato calcolato (sinistra) e distribuzione della temperatura (destra) della struttura nano-farfalla. Credito:Fujiwara H., e altri, Nano lettere. 23 dicembre 2019
Una farfalla d'oro su scala nanometrica fornisce un percorso più preciso per la crescita/sintetizzazione di semiconduttori di dimensioni nanometriche che possono essere utilizzati in nano-laser e altre applicazioni.
I ricercatori dell'Università di Hokkaido hanno ideato un approccio unico per realizzare semiconduttori di dimensioni nanometriche su una superficie metallica. I dettagli del metodo sono stati riportati sulla rivista Nano lettere e potrebbe approfondire la ricerca sulla fabbricazione di emettitori di luce ed energia di dimensioni nanometriche.
L'approccio, sviluppato dall'Istituto di ricerca per la scienza elettronica dell'Università di Hokkaido e dall'Università di Hokkai-Gakuen, comporta la generazione di calore localizzato su una nanoparticella d'oro all'interno di una nanostruttura a forma di farfalla. Il calore provoca la sintesi idrotermale in cui l'ossido di zinco semiconduttore cristallizza sulla nanoparticella d'oro.
Gli scienziati hanno studiato i modi per posizionare con cura semiconduttori di dimensioni nanometriche su particelle metalliche per utilizzarli nel nanolaser e nella nanolitografia, Per esempio. Ma i metodi attuali mancano di precisione o sono troppo costosi.
L'approccio sviluppato dal team giapponese supera questi problemi.
Il team ha prima condotto simulazioni per determinare le condizioni ottimali per controllare con precisione la generazione di calore nelle nanostrutture. Hanno utilizzato un fenomeno chiamato risonanza plasmonica di superficie, un processo che converte in parte la luce in calore nei materiali metallici.
Scansione di immagini al microscopio elettronico della struttura della nano-farfalla prima (a sinistra) e dopo (a destra) l'irradiazione laser. L'ossido di zinco semiconduttore si è cristallizzato sulla superficie del nanorod d'oro. Credito:Fujiwara H., e altri, Nano lettere. 23 dicembre 2019
Secondo le simulazioni, una nanostruttura a forma di farfalla costituita da due particelle d'oro a forma di rombo poste su entrambi i lati di una nanobarra d'oro porterebbe a condizioni ottimali. In questo sistema, il nanorod, o il corpo della farfalla, funziona come un nanoriscaldatore utilizzando una luce polarizzata specifica. Dopo aver ruotato la polarizzazione della luce di 90 gradi, le particelle di rombo, o le ali della farfalla, dovrebbe funzionare come un'antenna per raccogliere la luce in punti a lunghezza d'onda inferiore nella pelle semiconduttrice della farfalla.
Per testare questa teoria, hanno fabbricato la farfalla d'oro e l'hanno messa in acqua all'interno di una camera di vetro. Alla camera è stata aggiunta una soluzione composta da parti uguali di nitrato di zinco esaidrato ed esametilentetrammina, che è stato poi sigillato e posto su un palco microscopico. Quando la luce laser è stata puntata sul sistema all'interno della camera, il nanorod si è riscaldato e le particelle di ossido di zinco semiconduttore si sono cristallizzate lungo la sua superficie come previsto.
Ciò ha dimostrato che la nano-antenna d'oro a forma di farfalla può controllare con precisione dove avviene la sintesi idrotermale assistita da plasmoni, consentendo quindi la formazione localizzata di semiconduttori di dimensioni nanometriche.
"Si prevede che ulteriori ricerche porteranno allo sviluppo di potenti sorgenti luminose di dimensioni nanometriche, dispositivi di conversione fotoelettrica ad alta efficienza, e fotocatalizzatori, ", afferma Keiji Sasaki dell'Università di Hokkaido del gruppo di ricerca. "Potrebbe anche portare ad applicazioni nell'elettronica dei semiconduttori e nell'elaborazione delle informazioni quantistiche ottiche".
