Transparante geleider blijkt nauwkeurige afstandmeter

afbeelding 1: Twee microscopieglaasjes
Normaal gesproken nauwelijks van elkaar te onderscheiden: twee microscopieglaasjes, waarvan eentje met een dun laagje indium tin oxide (ITO) en de ander niet. De absorptie van minder dan 1 procent licht door het ITO is niet of nauwelijks door het menselijk ook waar te nemen. De situatie verandert sterk op het moment dat de lichtbron vlakbij het ITO wordt geplaatst: dan blijkt het ITO helemaal niet meer transparant, en neemt de intensiteit van het uitgezonden licht sterk af (zie afbeelding 2).

afbeelding 2: Kleine lichtbronnen
Kleine lichtbronnen, zoals lichtgevende moleculen of nanodeeltjes, die op een afstand van tien nanometer of meer van het ITO staan, kunnen op volle kracht hun licht uitzenden. Als ze echter dichterbij staan, dan neemt hun intensiteit sterk af als gevolg van plotseling opkomende absorptie in het ITO. Dit verschil is te meten, en kan omgekeerd gebruikt worden om de afstand van de lichtbron tot het ITO te bepalen.

Weinig materialen zijn tegelijkertijd zo transparant als glas én een goede geleider van elektrische stroom. Toch kennen deze materialen veel technologische toepassingen. Indium-tinoxide (ITO) is de meest bekende van deze materialen en komt veel voor in bijvoorbeeld touchscreens of in nanotechnologische systemen.

De absorptiecoëfficient bepaalt de mate van absorptie van licht in een materiaal. Voor een materiaal als ITO kan deze absorptiecoëfficiënt heel klein worden gemaakt, ongeveer 0,002 voor het ITO dat in Delft is onderzocht. Onderzoeker dr.ir. Robert Moerland, die als postdoc het onderzoek heeft uitgevoerd: “Deze lage absorptiecoëfficiënt betekent dat een dunne laag ITO kan zorgen voor elektrische stroomgeleiding, terwijl normaal gesproken maximaal 1 procent van het licht geabsorbeerd wordt. Zetten we nu echter een kleine lichtbron zoals een lichtgevend molecuul of nanodeeltje heel dicht bij het ITO-oppervlak, dan reageren de elektronen in het ITO sterk op dit molecuul of deeltje. Het gevolg is dat er in het ITO minuscule stroomverplaatsingen opgewekt worden. Deze stroompjes zijn niet direct te meten, maar omdat de elektrische weerstand van het ITO deze stroom remt, leiden deze wel tot een meetbaar verlies van de hoeveelheid energie die het molecuul in de vorm van licht uit kan zenden.”

De onderzoekers hebben dit effect gemeten voor verschillende afstanden tussen de ITO-laag en de lichtgevende moleculen. Hiertoe gebruikten de onderzoekers atomaire laag depositie, waarmee een glasachtige laag met atomaire precisie op de ITO-laag aangegroeid kan worden. De overeenkomst van het experiment met het theoretische model was zo sterk dat de onderzoekers de afstand tussen het molecuul en de ITO laag zeer precies konden bepalen uit de gemeten hoeveelheid energieverlies. Onderzoeksleider dr.ir. Jacob Hoogenboom: “Absorberende materialen zoals goud of grafeen worden al veel toegepast om met behulp van licht afstanden te kunnen meten. Dit maakt het mogelijk om afstanden onder de honderd nanometer in bijvoorbeeld biologische systemen te meten, als een soort meetlat op de nanometerschaal. Metingen onder de twintig nanometer zijn met deze materialen echter niet mogelijk omdat de absorptie dan te groot wordt. Onze resultaten laten zien dat transparante geleiders dit gat kunnen opvullen en afstandsmetingen tot één nanometer mogelijk maken. Voor zulke metingen zijn zelfs geen heel dure apparaten nodig. Afgelopen jaar hebben eerstejaars studenten met een goedkoop LED-lampje en wat apparatuur die we nog in het lab hadden liggen zelf een opstelling gebouwd waarmee zij deze metingen ook konden reproduceren.”

De resultaten zijn 22 januari gepubliceerd in het online open-access blad Optica.