Hoe een nanopatroon energie van licht vangt

Wie weleens van dichtbij een foto van een beeldscherm heeft gemaakt, kent het golvende, rimpelende effect dat dan in beeld verschijnt. Dat optische effect ontstaat wanneer twee fijne, regelmatige rasters elkaar overlappen en net niet precies gelijk liggen, bijvoorbeeld wanneer het pixelraster van de camerasensor over het pixelraster van het beeldscherm valt.

Fotografen kennen dit golvende effect als een moirépatroon en proberen het meestal kwijt te raken. Onderzoekers van de Universiteit Twente maakten er juist bewust een. Ze stapelden twee laagjes molybdeendisulfide, een halfgeleiderkristal van slechts drie atomen dik, en draaiden het bovenste laagje twee graden. Het patroon dat zo ontstaat, verandert hoe het materiaal met licht omgaat en herhaalt zich elke negen nanometer. Tienduizend van die herhalingen passen samen op de breedte van één mensenhaar.

Wie weleens van dichtbij een foto van een beeldscherm heeft gemaakt, kent het golvende, rimpelende effect dat dan in beeld verschijnt. Dat optische effect ontstaat wanneer twee fijne, regelmatige rasters elkaar overlappen en net niet precies gelijk liggen, bijvoorbeeld wanneer het pixelraster van de camerasensor over het pixelraster van het beeldscherm valt.

Fotografen kennen dit golvende effect als een moirépatroon en proberen het meestal kwijt te raken. Onderzoekers van de Universiteit Twente maakten er juist bewust een. Ze stapelden twee laagjes molybdeendisulfide, een halfgeleiderkristal van slechts drie atomen dik, en draaiden het bovenste laagje twee graden. Het patroon dat zo ontstaat, verandert hoe het materiaal met licht omgaat en herhaalt zich elke negen nanometer. Tienduizend van die herhalingen passen samen op de breedte van één mensenhaar.

Nanolandschap dat excitonen vangt
Wanneer licht op een halfgeleider valt, kan de energie ervan worden opgenomen in deeltjesparen die excitonen heten. Die paren bepalen grotendeels hoe het materiaal licht opneemt en uitzendt. Wetenschappers vermoedden al langer dat een moirépatroon excitonen op vaste plekken kan vastzetten. Dat zou het mogelijk maken om licht te sturen in een programmeerbaar rooster.

Maar tot nu toe kon niemand dat gedrag rechtstreeks zien. Optische metingen middelen over duizenden herhalingen van het patroon en scherpere microscopiemethoden werkten alleen bij extreem lage temperaturen. “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.

Elk soort exciton op zijn eigen plek
Eerste auteur Laurens Westenberg tastte de gestapelde laagjes af met een atomair scherpe naald, terwijl licht met een precies afgestelde kleur ze van onderaf belichtte. Op elk punt mat de naald het kleine elektrische stroompje dat het licht opwekt. Zo kon het team in kaart brengen waar lichtenergie wordt opgenomen. De kaarten die dat oplevert, laten met nanometerprecisie zien waar elk type exciton zit.

De kaarten lieten ook iets onverwachts zien: verschillende soorten excitonen verzamelen zich op verschillende plekken in het patroon. De ene groep zit op de kruispunten van het moiréraster. Een andere groep nestelt zich in de gebieden ertussen, precies daar waar de eerste groep ontbreekt. Elk exciton blijft gevangen op een plek van ongeveer twee nanometer.

Op weg naar ultrakleine lichtbronnen
De methode werkt bij kamertemperatuur en op echte componenten. Dat maakt het een praktisch hulpmiddel voor het ontwerpen van onderdelen die excitonen gebruiken. Een moirépatroon biedt een manier om de energie van licht op gekozen plekken te parkeren, een paar nanometer uit elkaar, simpelweg door de draaihoek aan te passen. Westenberg: “Onze resultaten kunnen helpen bij het ontwerp van materialen en componenten die de opname van licht en elektriciteit veel nauwkeuriger sturen.”

Promovendus Laurens Westenberg van de Universiteit Twente voerde de experimenten uit. Het onderzoek was een samenwerking met de Universiteit Utrecht, het Brazilian Center for Research in Physics (CBPF) en het National Institute for Materials Science (NIMS) in Japan. Het theoretische model is ontwikkeld aan de Universiteit Utrecht en het Brazilian Center for Research in Physics. De ondersteunende boornitridekristallen zijn gekweekt bij het National Institute for Materials Science in Japan.