Les champs électriques induits dans les modèles informatiques de l'Université Rice de nanomatryushkas en aluminium montrent qu'à de faibles distances d'écart (à gauche), le transfert de charge entre le noyau et la coque est si grand, le système se comporte essentiellement comme une sphère solide. À des distances d'écart plus élevées (au centre et à droite), le noyau et la coquille montrent des effets plasmoniques individuels plus forts. La barre d'échelle montre l'intensité du champ induit divisée par l'intensité du champ entrant. Crédit :Vikram Kulkarni/Université du riz
(Phys.org) —Les propriétés plasmoniques de l'aluminium modeste peuvent le rendre bien plus précieux que l'or et l'argent pour certaines applications, selon de nouvelles recherches menées par des scientifiques de l'Université Rice.
Parce que l'aluminium, sous forme de nanoparticules ou nanostructures, affiche des résonances optiques dans une région du spectre beaucoup plus large que l'or ou l'argent, il peut être un bon candidat pour la récupération de l'énergie solaire et pour d'autres dispositifs et matériaux optiques à grande surface qui seraient trop coûteux à produire avec des métaux nobles ou des pièces de monnaie.
Jusque récemment, l'aluminium n'avait pas encore été considéré comme utile pour les applications plasmoniques pour plusieurs raisons :Il s'oxyde naturellement, et certaines études ont montré des écarts considérables entre la « couleur » de résonance de l'aluminium nanostructuré fabriqué et les prédictions théoriques.
Le travail combiné de deux laboratoires Rice a abordé chacun de ces obstacles dans une paire de nouvelles publications.
Un article des laboratoires des scientifiques de Rice Naomi Halas et Peter Nordlander, "L'aluminium pour les plasmoniques, " démontre que la couleur des nanoparticules d'aluminium dépend non seulement de leur taille et de leur forme, mais aussi de manière critique sur leur teneur en oxyde. Ils ont montré que, En réalité, la couleur d'une nanoparticule d'aluminium fournit une preuve directe de la quantité d'oxydation du matériau en aluminium lui-même. L'article apparaît dans la revue American Chemical Society (ACS) ACS Nano .
La fabrication de nanoparticules d'aluminium pur a été un obstacle à leur développement pour la plasmonique, mais le laboratoire Halas a créé une gamme de particules en forme de disque de 70 à 180 nanomètres de diamètre pour tester leurs propriétés. Les chercheurs ont découvert que tandis que les plasmons des nanoparticules d'or résonnent dans des longueurs d'onde visibles de 550 à 700 nanomètres et d'argent de 350 à 700, l'aluminium peut atteindre l'ultraviolet, à environ 200 nanomètres.
Lorsqu'une onde électromagnétique (à gauche) frappe une nanomatryushka (au centre et à droite) - un noyau solide à l'intérieur d'une coquille creuse - la taille de l'espace détermine la force de la réponse plasmonique. Si l'écart est suffisamment petit, l'effet tunnel quantique à travers l'espace permet aux plasmons de résonner comme si le noyau et la coquille étaient une seule particule, changer radicalement leur réponse. Crédit :Vikram Kulkarni/Université du riz
Les laboratoires ont également caractérisé l'effet affaiblissant de l'oxydation naturelle mais auto-passivante sur les surfaces en aluminium. "Pour le fer, la rouille passe à travers, " dit Nordlander. " Mais pour l'aluminium pur, l'oxyde est si dur et imperméable qu'une fois que vous formez une feuille d'oxyde de trois nanomètres, le processus s'arrête." Pour le prouver, les chercheurs ont laissé leurs disques exposés à l'air libre pendant trois semaines avant de tester à nouveau et ont trouvé leur réponse inchangée.
"La raison pour laquelle nous utilisons l'or et l'argent dans les nanosciences est qu'ils ne s'oxydent pas. Mais finalement, avec de l'aluminium, la nature nous a donné quelque chose que nous pouvons exploiter, " a déclaré Nordlander.
Le deuxième article de Nordlander et de son groupe prédit des effets quantiques dans l'aluminium plasmonique qui sont plus forts que ceux d'une structure d'or analogue lorsqu'il se présente sous la forme d'un nanomatryushka, nanoparticules multicouches nommées d'après les célèbres poupées gigognes russes. Nordlander a découvert que les effets de la mécanique quantique dans ces matériaux sont fortement liés à la taille de l'espace entre la coque et le noyau. L'article est paru récemment dans la revue ACS Lettres nano .
"En plus d'être un matériau bon marché et ajustable, il présente des effets de mécanique quantique à plus grande, des gammes plus accessibles et plus précises que l'or ou l'argent, " Nordlander a déclaré. "Nous voyons cela comme un document de base."
Nordlander a utilisé des simulations informatiques pour étudier les écarts entre l'électromagnétisme classique et la mécanique quantique, et précisément là où les deux théories divergent dans les nanomatryushkas en or et en aluminium. "L'aluminium présente un comportement beaucoup plus quantique à une taille d'écart donnée que l'or, " dit-il. " En gros pour les très petits écarts, tout est dans le domaine quantique (où règnent les forces subatomiques), mais comme tu agrandis l'écart, le système se tourne vers la physique classique."
Par petit, Nordlander signifie bien en dessous d'un seul nanomètre (un milliardième de mètre). Avec l'écart entre le noyau et la coque dans un nanomatryushka d'or à environ un demi-nanomètre, lui et l'auteur principal Vikram Kulkarni, un étudiant diplômé de Rice, ont découvert que les électrons ont acquis la capacité de passer d'une couche à une autre dans la nanoparticule. Un écart 50 pour cent plus grand dans l'aluminium a permis le même effet quantique. Dans les deux cas, l'effet tunnel quantique à travers l'espace a permis aux plasmons de résonner comme si le noyau et la coquille étaient une seule particule, améliorant considérablement leur réponse.
Les calculs devraient être d'un grand intérêt pour ceux qui utilisent des nanoparticules comme sondes en spectroscopie Raman, où l'effet tunnel quantique entre les particules peut amortir les champs électriques et perturber les calculs classiques, il a dit.
Nordlander a noté que l'algorithme de Kulkarni a permis à l'équipe d'exécuter l'un des plus grands calculs de plasmonique quantique jamais effectués. Ils ont utilisé la puissance du supercalculateur BlueBioU de Rice pour suivre un nombre massif d'électrons. "Il est facile de garder une trace de deux enfants, mais imaginez si vous aviez plus d'un million, " il a dit.
Les principaux auteurs de « Aluminum for Plasmonics » sont les étudiants diplômés de Rice, Mark Knight et Nicholas King. Les co-auteurs incluent l'étudiant diplômé Lifei Liu et Henry Everitt, un scientifique en chef du laboratoire de recherche Charles Bowden de l'armée américaine, Arsenal Redstone, Ala., et professeur adjoint à l'Université Duke. La recherche a été soutenue par la Fondation Robert A. Welch, la bourse de la faculté des sciences et de l'ingénierie de la sécurité nationale, le Bureau de la recherche scientifique de l'armée de l'air, le programme majeur d'instrumentation de recherche de la National Science Foundation, le programme de recherche interne indépendant du laboratoire de l'armée et le bureau de recherche de l'armée.
Ancien élève du riz Emil Prodan, professeur assistant de physique à l'Université Yeshiva, New York, est co-auteur de "Quantum Plasmonics:Optical Properties of a Nanomatryushka."
