'Plasmonen' laten glasvezel en chip met elkaar praten
Veelbelovend nieuw type lichtbron gepresenteerd in Nature Materials
07 december 2009
Onderzoekers van het FOM-instituut AMOLF en het MESA+ Instituut voor Nanotechnologie van de Universiteit Twente hebben een nieuw soort lichtbron ontwikkeld. Deze elektrische ‘plasmonbron’ zendt plasmongolven uit; lichtgolven die zo klein zijn dat ze in een computerchip passen. De lichtbron brengt voor het eerst glasvezelcommunicatietechnologie en computertechnologie bij elkaar. De onderzoekers publiceren hun werk op 6 december in het toonaangevende tijdschrift Nature Materials.
Wereldwijd wordt veel onderzoek gedaan naar plasmonen:
ultrakleine elektromagnetische golven die zich voortplanten aan het
oppervlak van een metaal. Plasmonen hebben een sterke interactie
met de elektronen in het metaal, waardoor de golflengte sterk wordt
verkleind. Daarom kunnen plasmongolven zich bijvoorbeeld door
extreem kleine gaatjes persen, zoals in 1998 werd ontdekt door de
Franse onderzoeker Thomas Ebbesen.
In laboratoriumexperimenten werden plasmonen tot nu toe opgewekt
met complexe laseropstellingen. In het ontwerp van het
Amsterdam-Twentse team zijn de plasmonen voor het eerst elektrisch
opgewekt. De onderzoekers bouwden daarvoor met nanotechnologie een
schakeling die bestaat uit twee dunne metaalfilms, met daartussen
siliciumdeeltjes ter grootte van slechts enkele nanometers. Door
een elektrische spanning tussen de metaalfilms aan te leggen raken
de siliciumdeeltjes aangeslagen, waarna ze hun energie uitzenden in
de vorm van plasmongolven. De frequentie van de plasmonen wordt
bepaald door de diameter van de nanodeeltjes.
Doordat plasmonen zo'n korte golflengte hebben en als het ware heel
dicht tegen het metaal-oppervlak zijn aangeplakt, kunnen er extreem
kleine optische schakelingen, met afmetingen van slechts tientallen
nanometers, mee worden gebouwd. Daarmee wordt het mogelijk optische
communicatietechnologie, die normaal gebruik maakt van relatief
dikke glasvezels, te integreren met de elektrische chipindustrie,
waar dimensies van slechts tientallen nanometer een rol spelen. Het
licht wordt dan in de vorm van plasmonen over de computerchip
geleid.
Daarnaast zien de onderzoekers een bijzondere toepassing voor de
plasmonbron in lab-on-a-chip producten, waarmee ziektes kunnen
worden gediagnosticeerd of chemicaliën gedetecteerd. De plasmonbron
wordt dan gebruikt als sensor waarmee kleine hoeveelheden moleculen
met plasmonen worden gedetecteerd.
Robb Walters, een postdoc onderzoeker in de groep van Albert Polman
die aan dit project werkte: "je kunt nu voor 30 euro een digitale
camera kopen met 4 miljoen pixels op een chip, die ieder
afzonderlijk werken als een sensor voor licht. We hopen dat het met
deze technologie op een dag mogelijk is om met een sensorchip met
daar op een miljoen plasmon pixels simultaan een miljoen medische
testen te doen."
Vanuit het MESA+ Instituut voor Nanotechnologie is de groep
Semiconductor Components van prof. Jurriaan Schmitz betrokken bij
het onderzoek.
Elektrische plasmonbron. Plasmongolven planten zicht voort
tussen twee gouden metaalfilms. Zij worden opgewekt door silicium
nanodeeltjes die door de kleine bolletjes rechtsonder worden
weergegeven. Via kleine gaatjes aan de bovenkant ontsnappen de
plasmonen naar buiten, waar ze in een microscoop kunnen worden
opgevangen.
Het artikel "A silicon-based electrical source of
surface plasmon polaritons", Robb Walters, Rob van Loon,
Ihor Brunets, Jurriaan Schmitz en Albert Polman, is op 6
december 2009 verschenen in de online editie van Nature
Materials.
Het onderzoek is uitgevoerd met steun van de Stichting FOM, STW,
NANONED en het Smartmixprogramma MEMPHIS.
Contactpersonen UT: prof. Jurriaan Schmitz, tel
(053)4892726 of Wiebe
van der Veen, Communicatie UT, tel (053)4894244
