Une nouvelle méthode de construction de « ponts-levis » entre les nanoparticules métalliques pourrait permettre aux fabricants d'électronique de créer des écrans en couleur à l'aide de nanoparticules diffusant la lumière, similaires aux matériaux en or que les artisans médiévaux utilisaient pour créer des vitraux rouges.

« Ne serait-il pas intéressant de créer des vitraux qui changent de couleur en appuyant simplement sur un interrupteur ? dit Christy Landes, professeur agrégé de chimie à Rice et chercheur principal sur une nouvelle étude sur la méthode du pont-levis qui paraît cette semaine dans la revue en libre accès Avancées scientifiques .

Les recherches de Landes et d'autres experts du Smalley-Curl Institute de l'Université Rice pourraient permettre aux ingénieurs d'utiliser des techniques de commutation électrique standard pour construire des écrans couleur à partir de paires de nanoparticules qui diffusent différentes couleurs de lumière.

Depuis des siècles, les fabricants de vitraux ont exploité les propriétés de diffusion de la lumière de minuscules nanoparticules d'or pour produire du verre aux riches tons rouges. Des types de matériaux similaires pourraient de plus en plus être utilisés dans l'électronique moderne, car les fabricants s'efforcent de fabriquer des matériaux plus petits, composants plus rapides et plus économes en énergie qui fonctionnent à des fréquences optiques.

Bien que les nanoparticules métalliques diffusent une lumière vive, les chercheurs ont eu du mal à les persuader de produire des couleurs radicalement différentes, dit Landes.

La nouvelle méthode de pont-levis de Rice pour la commutation de couleur incorpore des nanoparticules métalliques qui absorbent l'énergie lumineuse et la convertissent en plasmons, vagues d'électrons qui s'écoulent comme un fluide à la surface d'une particule. Chaque plasmon diffuse et absorbe une fréquence lumineuse caractéristique, et même des changements mineurs dans le ballottement ondulatoire d'un plasmon déplacent cette fréquence. Plus le changement de fréquence plasmonique est important, plus la différence entre les couleurs observées est grande.

"Les ingénieurs qui espèrent faire un affichage à partir de nanoparticules optiquement actives doivent pouvoir changer la couleur, " Landes a déclaré. "Ce type de commutation s'est avéré très difficile à réaliser avec des nanoparticules. Les gens ont obtenu un succès modéré en utilisant divers schémas de couplage de plasmons dans des assemblages de particules. Ce que nous avons montré cependant, c'est la variation du mécanisme de couplage lui-même, qui peut être utilisé pour produire d'énormes changements de couleur à la fois rapidement et de manière réversible."

Pour démontrer la méthode, Landes et l'auteur principal de l'étude Chad Byers, une étudiante diplômée dans son laboratoire, des paires de nanoparticules d'or ancrées sur une surface de verre recouverte d'oxyde d'indium et d'étain (ITO), le même conducteur qui est utilisé dans de nombreux écrans de smartphone. En scellant les particules dans une chambre remplie d'un électrolyte d'eau salée et d'une électrode d'argent, Byers et Landes ont pu former un appareil avec un circuit complet. Ils ont ensuite montré qu'ils pouvaient appliquer une petite tension à l'ITO pour électrodéposer de l'argent sur la surface des particules d'or. Dans ce processus, les particules ont d'abord été recouvertes d'une fine couche de chlorure d'argent. En appliquant plus tard une tension négative, les chercheurs ont provoqué la formation d'un « pont-levis » en argent conducteur. L'inversion de la tension a provoqué le retrait du pont.

"Le grand avantage de ces ponts chimiques est que nous pouvons les créer et les éliminer simplement en appliquant ou en inversant une tension, " Landes a dit. " C'est la première méthode encore démontrée pour produire dramatique, changements de couleur réversibles pour les appareils construits à partir de nanoparticules activées par la lumière."

Byers a déclaré que ses recherches sur le comportement plasmonique des dimères d'or ont commencé il y a environ deux ans.

"Nous poursuivions l'idée que nous pouvions apporter des changements significatifs dans les propriétés optiques des particules individuelles simplement en modifiant la densité de charge, " dit-il. " La théorie prédit que les couleurs peuvent être modifiées simplement en ajoutant ou en supprimant des électrons, et nous voulions voir si nous pouvions le faire de manière réversible, simplement en allumant ou en éteignant une tension."

Les expériences ont fonctionné. Le changement de couleur a été observé et réversible, mais le changement de couleur était infime.

« Cela n'allait enthousiasmer personne pour les applications d'affichage commutables, ", a déclaré Landes.

Mais elle et Byers ont également remarqué que leurs résultats différaient des prédictions théoriques.

Landes a déclaré que c'était parce que les prédictions étaient basées sur l'utilisation d'une électrode inerte faite d'un métal comme le palladium qui n'est pas sujet à l'oxydation. Mais l'argent n'est pas inerte. Il réagit facilement avec l'oxygène de l'air ou de l'eau pour former une couche d'oxyde d'argent disgracieux. Cette couche oxydante peut également se former à partir de chlorure d'argent, et Landes a déclaré que c'était ce qui se passait lorsque la contre-électrode en argent a été utilisée dans les premières expériences de Byers.

"C'était une imperfection qui perturbait nos résultats, mais plutôt que de le fuir, nous avons décidé de l'utiliser à notre avantage, ", a déclaré Landes.

Pionnier de la plasmonique du riz et co-auteur de l'étude Naomi Halas, directeur de l'Institut Smalley-Curl, a déclaré que la nouvelle recherche montre comment les composants plasmoniques pourraient être utilisés pour produire des écrans couleur commutables électroniquement.

"Les nanoparticules d'or sont particulièrement attractives pour l'affichage, " dit Halas, Rice's Stanley C. Moore professeur de génie électrique et informatique et professeur de chimie, bio-ingénierie, physique et astronomie, et la science des matériaux et la nano-ingénierie. "Selon leur forme, ils peuvent produire une variété de couleurs spécifiques. Ils sont également extrêmement stables, et même si l'or est cher, il en faut très peu pour produire une couleur extrêmement brillante."

Dans la conception, tester et analyser les expériences de suivi sur les dimères, Landes et Byers se sont engagés avec un cerveau d'experts en plasmonique de Rice qui comprenait Halas, physicien et ingénieur Peter Nordlander, chimiste Stephan Link, la scientifique des matériaux Emilie Ringe et leurs étudiants, ainsi que Paul Mulvaney de l'Université de Melbourne en Australie.

Ensemble, l'équipe a confirmé la composition et l'espacement des dimères et a montré comment les ponts-levis métalliques pouvaient être utilisés pour induire de grands décalages de couleur en fonction des entrées de tension.

Nordlander et Hui Zhang, les deux théoriciens du groupe, examiné le "couplage plasmonique" de l'appareil, " la danse interactive dans laquelle les plasmons s'engagent lorsqu'ils sont en contact étroit. Par exemple, les dimères plasmoniques sont connus pour agir comme des condensateurs activés par la lumière, et des recherches antérieures ont montré que la connexion de dimères avec des ponts de nanofils entraîne un nouvel état de résonance connu sous le nom de "plasmon de transfert de charge, " qui a sa propre signature optique distincte.

"Le pontage électrochimique de l'espace interparticulaire permet une transition totalement réversible entre deux régimes de couplage plasmonique, l'un capacitif et l'autre conducteur, " Nordlander a déclaré. " Le changement entre ces régimes est évident à partir de l'évolution dynamique du plasmon de transfert de charge. "

Halas a déclaré que la méthode fournit aux chercheurs plasmoniques un outil précieux pour contrôler avec précision les écarts entre les dimères et d'autres configurations plasmoniques multiparticulaires.

« Dans un sens appliqué, le contrôle des écarts est important pour le développement de dispositifs plasmoniques actifs comme les commutateurs et les modulateurs, mais c'est aussi un outil important pour les scientifiques fondamentaux qui mènent des recherches motivées par la curiosité dans le domaine émergent de la plasmonique quantique. »