Licht ultraklein samenpersen in metalen nanostructuren
Licht ultraklein focusseren is de sleutel tot scherpere microscopie, kleinere structuren in de halfgeleider industrie en efficiëntere zonnecellen. Helaas is al 135 jaar bekend dat licht niet kleiner gefocusseerd kan worden dan zijn golflengte. Onderzoekers van het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF) in Amsterdam laten zien dat deze barrière toch doorbroken kan worden met speciale metalen nanostructuren. Zij publiceren hierover twee artikelen in het toonaangevende wetenschappelijke tijdschrift Nano Letters. Het onderzoek zou twee bekende problemen wel eens kunnen helpen oplossen. Zo laten de onderzoekers zien dat de omzetting van infrarood licht in zichtbaar licht versterkt kan worden door een goede focussering. Dit proces is onder meer van belang voor het maken van efficiëntere zonnecellen: zonlicht bevat veel infrarood, maar zonnecellen absorberen alleen zichtbaar licht. In de bekende fotolithografietechniek uit de computerchipindustrie kan focussering het maken van tien maal kleinere structuren bewerkstelligen dan nu met licht standaard mogelijk is.
Op de vraag wat de kleinste lengteschaal is waarop een lichtbundel gefocusseerd kan worden, is het traditionele antwoord: de golflengte van het foton. Zo bewees Ernst Abbe al in 1872 dat een microscoop geen details kan zien die kleiner zijn dan de golflengte van licht (rond 500 nanometer) omdat een lichtbundel niet oneindig nauw gefocusseerd kan worden. Dit is niet alleen een beperking voor het maken van scherpe afbeeldingen van heel kleine objecten onder een microscoop, maar ook voor het manipuleren van licht in optische chips. Is kleiner focusseren onmogelijk, of toch niet?
Op AMOLF ontwikkelen wetenschappers zogenaamde 'plasmonstructuren'. Daarmee kan uiteindelijk toch de diffractielimiet, die geldt voor gewone 'doorzichtige' optische materialen zoals glas, worden omzeild. De truc is om het licht te concentreren met behulp van elektronen in een metaal. Een deel van de energie van het licht wordt overgedragen op een heen- en weergaande beweging van elektronen. Zo'n ladingsoscillatie heet ook wel plasmon. Hij is gelokaliseerd vlak aan het grensvlak van het metaal met de lucht. Door licht met behulp van een tralie (zie links in figuur 1) te koppelen aan plasmonen is het dus mogelijk om licht te binden aan metaaloppervlakken.
Metaalstructuur verkleint golflengte van licht
In het vlak worden de plasmonen echter niet vanzelf gebundeld. Om dat te bereiken maakten de Amsterdamse onderzoekers in de metaalfilm een nauwe spits, die als een soort trechter voor plasmonen werkt. Een brede plasmongolf die aan de wijde kant van de trechter ontstaat, wordt steeds nauwer samengeperst, naarmate hij de spits dichter nadert, waardoor ook de energiedichtheid naar de spits toe toeneemt. Dat de lichtintensiteit inderdaad sterk toeneemt naar de punt van de trechter toe, hebben de onderzoekers aangetoond door te kijken naar een niet-lineair optisch proces dat 'opconversie' heet: hierbij worden vier infrarode fotonen uit de plasmonbundel (golflengte 1490 nanometer) omgezet in één foton met meer energie (golflengte 550 nanometer, dus zichtbaar licht). Dit proces is bij de spits van de trechter het sterkst, omdat daar de plasmonbundel het meest gefocusseerd is. De versterkte omzetting van infrarood in zichtbaar licht is onder meer van belang in zonnecellen. Die absorberen namelijk niet het infrarode deel van het zonlicht maar wel zichtbare fotonen.
Zilver nanodeeltjes concentreren licht
Waar de plasmontrechter een oplossing is om een plasmonbundel te focusseren in bijvoorbeeld een optische chip, lost het niet alle problemen met de diffractielimiet op. In een tweede artikel laten de onderzoekers in samenwerking met collega's van de Universiteit van Amsterdam en van Auburn University in de Verenigde Staten zien hoe plasmonen kunnen helpen om de diffractielimiet te verbreken bij het proces van fotolithografie, het proces dat halfgeleidergiganten als Intel, IBM, AMD en ASML geperfectioneerd hebben om steeds weer kleinere elektronische schakelingen te maken. Bij fotolithografie wordt een masker (een soort dia) geprojecteerd op een fotogevoelige laag (de 'resist'). Fotolithografie heeft twee nadelige eigenschappen. Het eerste nadeel is dat de kleinst mogelijk af te beelden transistor maximaal de golflengte van licht heeft. Het tweede is dat het masker zeer duur is om te maken en eenmaal gemaakt niet meer is te veranderen; er zijn dus met een bestaand masker geen veranderingen in de afbeelding mogelijk. De onderzoekers van AMOLF laten in hun publicatie zien dat maskers van zilverdeeltjes beide beperkingen uit de weg kunnen ruimen. Door een masker van zilverdeeltjes dicht tegen de resist aan te drukken en het geheel met een ongefocusseerde lichtbundel te belichten, wordt de resist alleen plaatselijk belicht door de hoge lichtintensiteit die nabij de deeltjes ontstaat. De kleinste lengteschaal is nu de afstand tussen de deeltjes, die 10 maal kleiner is dan de golflengte van het licht waarmee het masker belicht wordt. De verrassende vondst van de Amsterdamse onderzoekers is dat de precieze afbeelding niet vast ligt door het masker, maar nog geprogrammeerd kan worden (zie figuur 2). De hoge intensiteiten ontstaan namelijk niet bij alle deeltjes in het masker in gelijke mate. In plaats daarvan kunnen allerlei verschillende mogelijke patronen ontstaan die gekozen kunnen worden door de kleur en de hoek van inval van het licht slim te veranderen.
Voor meer informatie kunt u contact opnemen met dr. Femius Koenderink en prof.dr. Albert Polman, FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (telefoon (020) 608 12 34; web www.erbium.nl en www.amolf.nl).
De titel van het artikel over de plasmontrechter luidt "Enhanced Nonlinear Optical Effects with a Tapered Plasmonic Waveguide", met als auteurs Ewold Verhagen, Kobus Kuipers en Albert Polman. Dit artikel verscheen in Nano Letters in februari 2007. Het beschreven onderzoek is uitgevoerd in het kader van het Joint Solar Programme, een gezamenlijk onderzoeksprogramma van FOM, Shell en NWO-Chemische wetenschappen.
Het artikel "Programmable Nanolithography with Plasmon Nanoparticle Arrays" door Femius Koenderink, Jesus Hernandez (Auburn), Francis Robicheaux (Auburn), Bart Noordam (UvA) en Albert Polman verschijnt in Nano Letters van maart 2007.