En présence d'une molécule d'eau à sa surface, film d'aluminate de lanthane sur un cristal de titanate de strontium émet une lumière ultraviolette de son intérieur. (Illustration non à l'échelle). Crédit :Université Drexel
Un peu d'humidité parasite au cours d'une expérience a averti les scientifiques du comportement étrange d'un matériau d'oxyde complexe qu'ils étudiaient, mettant en lumière son potentiel d'amélioration des capteurs chimiques, informatique et stockage d'informations. En présence d'une molécule d'eau à sa surface, le matériau en couches émet une lumière ultraviolette de son intérieur. Une équipe de chercheurs de l'Université Drexel, l'Université de Pennsylvanie, l'Université de Californie à Berkeley, et Temple University a récemment publié sa découverte selon laquelle il est possible de contrôler la production de lumière UV via une réaction chimique qui fonctionne comme l'actionnement d'un interrupteur.
En étudiant un échantillon de film d'aluminate de lanthane sur un cristal de titanate de strontine, l'équipe, dirigé par le professeur Jonathan E. Spanier du Drexel College of Engineering, Andrew M. Rappe, de Penn; Ruelle W. Martin, de Berkeley et du Xiaoxing Xi de Temple, découvert que l'échantillon commençait à émettre des niveaux intenses de lumière UV. Reproduire soigneusement les conditions expérimentales les a aidés à se rendre compte que les molécules d'eau pourraient jouer un rôle dans la lumière UV émise à l'intérieur du matériau.
« Dans les découvertes marquantes, cette interface entre deux isolants électriques s'est avérée avoir un état électriquement conducteur, celui qui peut être altéré par l'eau à la surface de l'aluminate de lanthane, et présente également un ordre supraconducteur et ferromagnétique, " a déclaré Spanier. "Mais cette découverte est tout à fait remarquable parce que nous avons découvert une réaction chimique à la surface qui provoque l'émission de lumière de l'interface à l'intérieur - et nous sommes en mesure de l'éteindre et de la rallumer. Étonnamment, on peut aussi le rendre plus fort en augmentant la distance entre les molécules et la surface et l'interface enterrée, en utilisant des films plus épais par exemple."
Les membres de l'équipe de Drexel, Berkeley et Temple se sont tournés vers leurs collaborateurs théoriques de l'équipe, dirigé par Penn's Rappe et ses collègues chercheurs en théorie Fenggong Wang et Diomedes Saldana-Grego, pour aider à interpréter les résultats.
Des recherches récemment rapportées dans Lettres nano montre que la photoluminescence ultraviolette réversible de l'intérieur d'une interface de matériau d'oxyde complexe peut être contrôlée par chimisorption à sa surface. Crédit :Université Drexel
"La dissociation des fragments d'eau à la surface de l'oxyde libère des électrons qui se déplacent vers l'interface enterrée, annuler les charges ioniques, " Wang a dit. " Cela met toute l'émission de lumière à la même énergie, donnant la photoluminescence nette observée."
Selon Rappé, il s'agit du premier rapport de l'introduction de molécules à la surface contrôlant l'émission de lumière - de n'importe quelle couleur - à partir d'une interface solide-surface enterrée.
"Le mécanisme d'atterrissage et de réaction d'une molécule, appelée chimisorption dissociative, comme moyen de contrôler l'apparition et la suppression de la lumière ne ressemble à aucun autre signalé précédemment, " a déclaré Saldana-Grego.
L'équipe a récemment publié ses conclusions, dans le journal de l'American Chemical Society Lettres nano . Le papier, intitulé "Surface Chemically Switchable Ultraviolet Luminescence from Interfacial Two-Dimensional Electron Gas, " décrit leur méthode de génération et de contrôle de la luminescence ultraviolette réversible à partir d'une interface semi-conductrice bidimensionnelle à base de gaz d'électrons. Il s'agit d'un processus qu'ils ont longuement étudié grâce à des tests physiques de matériaux produits par des collaborateurs de Cal et Temple, et via des simulations informatiques par les groupes Rappe et Spanier.
"Nous soupçonnons que le matériau pourrait être utilisé pour des dispositifs simples comme des transistors et des capteurs. En plaçant stratégiquement des molécules à la surface, la lumière UV pourrait être utilisée pour relayer des informations, de la même manière que la mémoire d'un ordinateur utilise un champ magnétique pour s'écrire et se réécrire, mais avec l'avantage non négligeable de le faire sans courant électrique, " a dit Mohammed Islam, professeur assistant de la State University of New York à Oswego, qui faisait partie de l'équipe de Spanier lorsqu'il était chez Drexel. "La force du champ UV varie également avec la proximité de la molécule d'eau, cela suggère que le matériau pourrait également être utile pour détecter la présence d'agents chimiques."
Selon Spanier, il faut faire beaucoup plus de recherche fondamentale, mais cette découverte peut aider les chercheurs à comprendre comment les électrons interagissent à ces interfaces, et les limites de la façon dont ils peuvent utiliser les molécules de surface pour contrôler l'émission de lumière.
