Nanopatroon vangt lichtenergie op specifieke plekken

Rechtstreeks in beeld brengen hoe een minuscuul patroon in ultradunne halfgeleiders lichtenergie op specifieke plekken kan vasthouden. Dat is wat onderzoekers van de Universiteit Twente voor elkaar hebben gekregen. De techniek werkt bij kamertemperatuur en kan volgens de onderzoekers interessant zijn voor onder meer compacte lichtbronnen en optische sensoren.

Het onderzoek draait om moirépatronen, die ontstaan wanneer twee regelmatige structuren over elkaar worden gelegd en daarna iets ten opzichte van elkaar worden gedraaid. Op grote schaal is het effect bijvoorbeeld zichtbaar wanneer twee fijne rasters elkaar overlappen. De onderzoekers pasten hetzelfde principe toe op nanoschaal.

Atoomdunne lagen

Voor het experiment gebruikten de wetenschappers twee lagen molybdeendisulfide (MoS₂), een halfgeleidermateriaal waarvan iedere laag slechts drie atomen dik is. De bovenste laag werd twee graden gedraaid ten opzichte van de onderste. Daardoor ontstond een terugkerend patroon met een periode van ongeveer negen nanometer.

Dat patroon beïnvloedt hoe het materiaal met licht omgaat. Wanneer een halfgeleider licht absorbeert, kunnen gebonden combinaties van een elektron en een positief geladen ‘gat’ ontstaan, ook wel bekend als excitonen. Die spelen een belangrijke rol bij de opname en emissie van licht.

Wetenschappers vermoedden al langer dat een moirépatroon als een soort nanolandschap kan functioneren waarin excitonen op specifieke plaatsen worden opgesloten. Rechtstreekse waarneming daarvan bleek echter lastig. Traditionele optische metingen bestrijken tegelijkertijd duizenden herhalingen van het patroon, terwijl andere microscopietechnieken veelal zeer lage temperaturen vereisen.

“Met deze nieuwe methode hebben we aangetoond dat dit moirépatroon inderdaad werkt als een nanolandschap dat excitonen naar specifieke plekken leidt en ze daar vangt. En dat bij kamertemperatuur”, zegt Pantelis Bampoulis, die het onderzoek leidde. Eerste auteur Laurens Westenberg bracht het verschijnsel in kaart met een atomair scherpe meetnaald. Terwijl het materiaal van onderaf met licht van een nauwkeurig gekozen golflengte werd beschenen, mat de naald op ieder punt de kleine elektrische stroom die door het licht ontstond. Daarmee konden de onderzoekers met nanometerprecisie bepalen waar de lichtenergie werd opgenomen. Uit de metingen bleek dat verschillende soorten excitonen bovendien verschillende posities in het moirépatroon innemen. Sommige verzamelen zich op de kruispunten van het patroon, terwijl andere juist in de tussenliggende gebieden terechtkomen. De excitonen bleven daarbij gevangen binnen gebieden van ongeveer twee nanometer.

Nieuwe mogelijkheden

Volgens de onderzoekers biedt het resultaat nieuwe mogelijkheden om de interactie tussen licht en materialen nauwkeurig te ontwerpen. Door bijvoorbeeld de draaihoek tussen de twee materiaallagen te veranderen, kan ook het ontstane nanolandschap worden aangepast. Mogelijke toepassingen liggen onder meer bij ultrakleine lichtbronnen, optische sensoren en andere fotonische componenten.