Doorzichtig goud ontrafeld
Een dunne goudlaag is praktisch ondoorzichtig, maar met een rooster van minuscule gaatjes erin laat hij verrassend veel licht door. Het mechanisme hierachter stond bijna een decennium ter discussie. De Leidse onderzoekers dr. Martin van Exter en Frerik van Beijnum MSc, en student Chris Smiet, werkten in FOM-verband mee aan het onderzoek. Op 20 december verscheen een publicatie in Nature.
Door een rooster van minuscule gaatjes te maken in een ondoorzichtige goudlaag veranderen de optische eigenschappen dramatisch: het goud is niet meer goudkleurig en wordt veel doorzichtiger. Ook voor wetenschappers een fascinerend verschijnsel, aldus FOM-werkgroepleider dr. Martin van Exter: ‘De gaatjes zijn zo klein, grofweg twee duizendste van een haardikte, dat je niet zou verwachten dat het goud doorzichtig wordt. Dit impliceert dat de gaatjes in de goudlaag “samenwerken”, waardoor ze meer licht door het goud kunnen sturen. FOM-oio Frerik van Beijnum en zijn mede-auteurs hebben nu ontrafeld hoe deze samenwerking precies in zijn werk gaat.’
De publicatie in Nature was het product van samenwerking tussen onderzoekers van de Universiteit Leiden, FOM, FOM-instituut AMOLF en collega’s uit China en Frankrijk.
Twee processen
De gaatjes in het goud werken samen doordat licht dat op een gaatje valt niet alleen wordt doorgelaten maar ook wordt afgebogen. Een groot deel van het afgebogen licht reist vervolgens over het goudoppervlak. Wanneer dit over het oppervlak reizende licht een ander gaatje tegenkomt, wordt het alsnog door de goudlaag heen gestuurd en daardoor wordt het goud doorzichtiger. Experimenten uit het verleden deden vermoeden dat daarbij twee processen een rol spelen. Van Exter: “Het eerste proces, licht in de vorm van een ‘oppervlaktegolf’, spreidt zich alleen in de twee dimensies van het oppervlak uit. Het tweede proces is licht dat zich niet alleen over het oppervlakte uitspreidt, maar ook in de derde dimensie: een zogenaamde bolgolf. Er was de afgelopen jaren veel discussie in het veld over de vraag of deze bolgolf bijdraagt aan het doorzichtig worden van het goud met gaatjes.”
Vernieuwend
Van Beijnum en zijn collega’s hebben nu laten zien dat deze bolgolf wel degelijk bijdraagt aan de doorzichtigheid van een goudlaag met gaatjes. De onderzoekers hebben hiervoor de gatendichtheid van de roosters op een vernieuwende wijze gevarieerd, mede op basis van nieuwe theoretische inzichten. ‘Gek genoeg werden experimenten altijd op vierkante roosters uitgevoerd,’ vertelt Van Exter. ‘Een nieuwe theorie van onze Chinese en Franse collega’s nam echter kettingen van gaten als uitgangspunt. Op basis van deze theorie hebben we de roosters slechts in één richting veranderd. We hebben in feite enkel de afstand tussen kettingen van gaten gevarieerd en gekeken naar de invloed van de gatendichtheid op de doorzichtigheid van goud.’
Bolgolf
De onderzoekers zagen bij elke gatendichtheid een verbeterde doorzichtigheid van het goud, wat betekent dat de gaten ook op grotere afstand samen kunnen werken. Als de dichtheid vervolgens groter wordt, neemt de doorzichtigheid eerst langzaam toe. Als de gaatjes nog maar één golflengte van elkaar staan, neemt de doorzichtigheid ineens enorm toe. ‘Deze plotselinge toename verraadt dat de “bolgolf” wel degelijk een rol speelt,’ zegt Van Exter.
Nog spannender
De bestudeerde roosters zijn een voorbeeld van het structureren van metalen op de nanoschaal, met als doel het creëren van nieuwe optische eigenschappen. Van Exter: ‘Dit experiment geeft inzichten die helpen om in de toekomst nieuwe structuren te maken met nog veel spannendere eigenschappen. Uiteindelijk zouden variaties op deze roosters gebruikt kunnen worden voor efficiëntere zonnecellen of sensoren die virussen kunnen detecteren.’
Artikel
Quasi-cylindrical wave contribution in experiments on extraordinary optical Transmission, Frerik van Beijnum,Chris Rétif,Chris B. Smiet,Haitao T. Liu,Philippe Lalanneand and Martin P. van Exter, Nature, 20 december 2012.