S. Nargelas. Metalo nanodalelėmis valdoma šviesa

Įspūdį itin sustiprindavo spalvos pasikeitimas žiūrint į nuo stiklo atspindėtą ir pro jį praėjusią šviesą. Iki mūsų dienų išliko Likurgo (Lycurgus) taurė, pagaminta IV a. prieš mūsų erą, kuri atspindėtoje šviesoje atrodo žalios spalvos, o per ją praėjusią šviesą regime raudoną. Įdomu, kad šio spalvų žaismo priežastį mokslininkai išsiaiškino nesenai, tik 1990 metais. Šio reiškinio kaltininkai yra kolektyviniai elektronų tankio virpesiai aukso nanodalelių paviršiuje. Jie vadinami paviršiniais plazmonais. Aukso atspindys gan stiprus plačiame spektro ruože, tačiau Likurgo taurėje yra susiformavusios labai mažos aukso dalelės. Jose susidaro lokalizuoti paviršiniai plazmonai, gerai atspindys tik žalią šviesą. Taigi, taurė keičia savo spalvą, nes aukso nanodalelės atspindi žalią šviesą, o praėjusi šviesa be žalios spalvos atrodo raudona.

Pradėjus tyrinėti paviršinių plazmonų savybes, jos buvo plačiai pritaikytos biologiniuose ir cheminiuose jutikliuose, stiprinant signalus fluorescencijos, Ramano spektroskopijos bei artimojo lauko mikroskopijos eksperimentuose.  Taip pat buvo pastebėta daug žadančių jų taikymų kitose srityse – netiesinių optinių savybių sustiprinimui (pavyzdžiui antros harmonikos generacijai), vandenilio gamyboje skaidant vandens molekules,  talpesnių optinių laikmenų, našesnių saulės elementų ir puslaidininkinių šviestukų (angl. Light Emiting Diode, LED) ar net išmaniųjų energiją tausojančių langų gamyboje. Kelis jų aptarkime plačiau.

Idealiame saulės elemente visos saulės šviesos sukurtos elektronų ir skylių poros yra atskiriamos, visi krūvininkai pasiekia kontaktus ir  kuria elektros srovę. Tačiau realiuose fotovoltiniuose prietaisuose elektronų ir skylių „gyvenimą gadina“ rekombinacija. Elektronas ar skylė savo kelyje link kontakto gali sutikti rekombinacijos centrą ir rekombinuoti nesukurdami elektros srovės. Todėl našiems saulės elementams labai svarbus parametras yra krūvininkų difuzijos nuotolis. Tai – vidutinis atstumas, kurį elektronas ar skylė nukeliauja iki rekombinacijos. Labiausiai paplitusiuose iš kristalinio silicio pagamintuose saulės elementuose krūvininkų difuzijos nuotolis yra apie kelis mikrometrus (plauko storis yra maždaug 50 mikronų). Tačiau tokio storio silicio sluoksnis sugeria tik dalį kritusios saulės šviesos, todėl gaminami šimtų mikrometrų storio elementai. Akivaizdu, kad anaiptol ne visi krūvininkai sugeba nukeliauti tokį atstumą iki kontaktų.  Kritusios saulės šviesos sugerčiai padidinti ir būtų galimą į pagalbą pasitelkti paviršinius plazmonus.

Kita, straipsnio autoriui artimesnė, paviršinių plazmonų panaudojimo sritis būtų puslaidininkinių šviestukų našumo padidinimas. Kadangi šviestukai taikosi užkariauti buitinio, viešųjų patalpų ir pramoninio apšvietimo sritis, jų našumo didinimas sulaukia didelio mokslininkų bendruomenės susidomėjimo. Modernūs šviestukai yra gaminami naudojant du puslaidininkinių medžiagų junginius – AlGaInP ir AlGaInN. Tačiau tiek iš vieno, tiek iš kito junginio pagamintų prietaisų našumas stipriai sumažėja, kai norima pagaminti žalios spalvos šviesą skleidžiančius šviestukus.

Didelė visų šviestukų problema yra šviestuke išspinduliuotų fotonų ištrūkimas į orą. Kadangi medžiagų, iš kurių gaminami šviestukai,  lūžio rodiklis labai skiriasi nuo oro lūžio rodiklio, dėl visiško vidaus atspindžio tik nedideliu kampu į paviršių krintantys fotonai gali ištrūkti. Visi kiti atspindimi atgal. Šviestukų paviršių padengiant metalo nanodalelėmis (žaliai šviesai naudojamos aukso ar sidabro naodalelės) galima pagerinti šviesos ištrūką iš šviestuko. Tai tampa įmanoma pasinaudojus lokalizuotų paviršinių plazmonų savybe su fotonais sudaryti bendras būsenas, poliaritonus, kuris turi didelę tikimybę ištrūkti į aplinką kaip šviesos kvantas –fotonas.

Bet kokiu kampu į šviestuko paviršių kritęs fotonas, jei tik jo dažnis atitinka paviršinio plazmono dažnį, gali sukurti plazmoninį poliaritoną metalo dalelės paviršiuje. Šio proceso optimizavimas ir yra šio straipsnio autoriaus stažuotės Vilniaus universiteto Fizikos fakulteto Puslaidininkių fizikos katedroje, kuri yra finansuojamos pagal Europos Sąjungos Struktūrinių fondų įgyvendinamą projektą "Podoktorantūros (post doc) stažuočių įgyvendinimas Lietuvoje", pagrindinis tikslas. Stažuotės metu tiriamos sidabro nanodalelėmis padengtų InGaN kvantinių darinių, užaugintų Vilniaus Universitete esančiame MOCVD reaktoriuje, optinės savybės.

Nanodalelės suformuojamos ant InGaN užgarintą ploną metalo sluoksnelį (~10 nm storio) iškaitinant staigaus iškaitinimo krosnyje. Keičiant iškaitinimo trukmę ir temperatūrą galima keisti formuojamų nanodalelių matmenis. Nuo pastarųjų priklauso lokalizuotų paviršinių plazmonų rezonansinis dažnis. Žadinant darinį trumpais šviesos impulsais tiriami lokalizuotų paviršinių plazmonų rekombinacijos procesai. Tai padeda parinkti optimalius nanodalelių dydžius, bei tobulinti šviestuko sandarą. Kadangi lokalizuoti paviršiniai plazmonai gyvena tik pikosekundes ar net trumpiau, jų rekombinacijos tyrimams naudojami šimtų femtosekundžių trukmės lazerio impulsai.