Een nieuw onderzoek van een team van de Universiteit Twente en het e-Science Centre in Amsterdam heeft een belangrijke stap gezet op het gebied van nanotechnologie. Hun onderzoek vergeleek de transmissie van licht door een utopisch model met een echte 3D-nanostructuur. Deze nanostructuren zijn een integraal onderdeel van onze dagelijkse technologie, zoals smartphones en zonnepanelen.
De innovatieve aanpak van het team gebruikt de echte 3D-nanostructuur zelf, verkregen door middel van nauwkeurige röntgenbeeldvorming, als input voor hun optische studie. Op deze manier konden de onderzoekers de echte nanostructuur direct vergelijken met een geïdealiseerd of 'utopisch' model. De bevindingen onthullen dat, in tegenstelling tot het ideale ontwerp, de echte nanostructuur een sterke opsluiting van licht vertoont die volledig afwezig is in het utopische ontwerp.
Voorspelbaarheid van chips
Voorspelbaarheid van apparaten is cruciaal voor toepassingen die variëren van meettechnieken voor chipfabricage en slimme verlichting met LEDs tot atmosfeerwaarnemingen met nanosatellieten. Maar hoe duur en goed uitgerust de faciliteit ook is, tijdens nanofabricage treden onvermijdelijke afwijkingen op. Twee na elkaar gemaakte nanostructuren zijn nooit precies hetzelfde tot op het niveau van de plaatsing van de atomen, omdat bijvoorbeeld de fabricageapparatuur langzaam verandert. Uiteindelijk, zelfs als alle apparatuur perfect werkt, verbieden entropie en chaos om exacte kopieën te maken, waardoor apparaten minder voorspelbaar worden.
Figuur 1. Lichtverdeling (E-veld) in a) het echte kristal en b) het utopische kristal. Lichtere kleuren corresponderen met helderder licht. Helder licht is beperkt in het echte kristal, maar afwezig in het utopische model.
Nieuwe functionaliteiten voor apparaten
Het onderzoek van het Twents-Amsterdamse team verbetert niet alleen onze kennis van deze afwijkingen, maar opent ook de deur naar nieuwe functionaliteiten voor apparaten. Vos legt uit: “Er zijn grote verschillen tussen de echte en de utopische structuur. Waar de utopische structuur licht bijvoorbeeld verbiedt om binnen te komen, heeft de echte structuur een hoge energiedichtheid van licht (zie figuur 1). De echte lichtverdeling heeft een eigenaardig patroon dat voorkomt dat licht naar rechts uittreedt, zoals oorspronkelijk ontworpen. Het intense en ingesloten licht kan zelfs worden gebruikt voor compleet nieuwe functies, zoals optische schakelaars of sensoren!”
Het team
Het onderzoek is gedaan door Lars Corbijn van Willenswaard, Stef Smeets, Nicolas Renaud, Matthias Schlottbom, Jaap van der Vegt en Willem Vos van de Universiteit Twente. Lars is promovendus bij de leerstoelen COPS en MACS, Stef en Nicolas zijn medewerkers van het NWO e-Science Centre in Amsterdam, Matthias is universitair hoofddocent en Jaap hoogleraar (emeritus) MACS, en Willem hoogleraar COPS.
Het onderzoek is gefinancierd door NWO JCSER Programma, project 680-91-084, “Accurate and Efficient Computation of the Optical Properties of Nanostructures for Improved Photovoltaics”, door NWO (FOM) programma nr. 138 “Roeren van licht!”, en door NWO-TTW programma P15-36 “Free-Form Scattering Optics” (FFSO).
Het artikel
Het artikel met de titel “Non-utopian optical properties computed of a tomographically reconstructed real photonic band gap crystal” verschijnt in Optics Express dat wordt uitgegeven door de beroepsvereniging Optica (voorheen de Optical Society of America (OSA)). Het artikel is online beschikbaar.
DOI: 10.1364/OE.519464
