RESEARCH GROUP PICTURE

VORTEX STIRRING OF NANOMATERIALS

FLUORESCENT COATINGS FOR BIOSENSING

PRESENTATION OF RESULTS AT PLASMONICA 2015 WORKSHOP

MAGNETIC STIRRING OF A COLLOIDAL SYSTEM

OPTICAL PROPERTIES OF MATERIALS THROUGH SPECTROSCOPIC ELLIPSOMETRY

PLASMA TREATMENT ON NANOMATERIALS

USING X RAY DIFFRACTION TO FIND NANOSTRUCTURES

CREATION OF NEW MATERIALS THROUGH 3D PHOTOPOLYMERIZATION

COLORS WITHOUT PIGMENTS

TRANSIENT ENHANCEMENT AND SPECTRAL NARROWING OF THE PHOTOTHERMAL EFFECT OF PLASMONIC NANOPARTICLES UNDER PULSED EXCITATION

"Transient Enhancement and Spectral Narrowing of The Photothermal Effect of Plasmonic Nanoparticles Under Pulsed Excitation". E. Y. Lukianova-Hleb, A. N. Volkov, X. Wu, D. O. Lapotko. ADVANCED MATERIALS. In press. DOI: 10.1002/adma.201204083

The transient 100-fold enhancement and spectral narrowing to 2 nm of the photothermal conversion by solid gold nanospheres under near-infrared excitation with a short laser pulse is reported. This non-stationary effect was observed for a wide range of optical fluences starting from 10 mJ cm⁻² for single nanospheres, their ensembles and aggregated clusters in water, in vitro and in vivo. 

Se reporta el incremento transitorio de 100 veces y el estrechamiento espectral a 2 nm de la conversión fototérmica en nanoesferas de oro, ante la excitación en el infrarrojo cercano con pulsos cortos de luz láser. Este efecto no estacionario fue observado en un amplio intervalo de fluencias ópticas, que comienzan desde 10 mJ cm⁻² para nanoesferas aisladas, para sus arreglos y para sus clústers en agua, in vitro e in vivo.

 http://dx.doi.org/10.1002/adma.201204083

PLASMONICS FOCUS ISSUE

Nature Photonics published in November 2012 a special focus issue on Plasmonics. This Focus Issue covers some recent developments on Plasmonics including, nonlinear plasmonics, acousto-magneto effects, plasmons on graphene and biosensor applications. Briefly, Plasmonics takes advantage of the coupling of light to charges like electrons in metals, which allows breaking the diffraction limit for the localization of light into subwavelength dimensions enabling strong field enhancements.

En Noviembre 2012 Nature Photonics publicó un número especial dedicado a la Plasmónica. Este número especial abarca algunos desarrollos recientes de la Plasmónica, incluyendo la plasmónica no lineal, los efectos acustomagnéticos, los plasmones en grafeno y las aplicaciones en biosensores. En pocas palabras, la Plasmónica aprovecha el acoplamiento de la luz con las cargas eléctricas de los metales, lo cual permite sobrepasar el límite de difracción y localizar luz en dimensiones inferiores a su longitud de onda, permitiendo así fuertes incrementos del campo eléctrico.

http://www.nature.com/nphoton/focus/plasmonics/index.html 

TV WITH HIGH-END COLOR VIA QUANTUM DOT TECHNOLOGY

 

Sony's Bravia LCD TVs, in selected models, have incorporated quantum dot technology to boost sales of these high-end televisions by featuring exceptionally high-end color. The technology is from the Massachusetts-based company, QD Vision, and that technology involves nanoscale particles known as quantum dots. They are to significantly improve color viewing for the new Sony TVs.

Read more at: http://phys.org/news/2013-01-sony-tvs-high-end-quantum-dot.html#jCp

Sony's Bravia LCD TVs, in selected models, have incorporated quantum dot technology to boost sales of these high-end televisions by featuring exceptionally high-end color. The technology is from the Massachusetts-based company, QD Vision, and that technology involves nanoscale particles known as quantum dots. They are to significantly improve color viewing for the new Sony TVs.

Read more at: http://phys.org/news/2013-01-sony-tvs-high-end-quantum-dot.html#jCp

Sony's Bravia LCD TVs, in selected models, have incorporated quantum dot technology to boost sales of these high-end televisions by featuring exceptionally high-end color. The technology is from the Massachusetts-based company, QD Vision, and that technology involves nanoscale particles known as quantum dots. They are to significantly improve color viewing for the new Sony TVs.

Read more at: http://phys.org/news/2013-01-sony-tvs-high-end-quantum-dot.html#jCp

Some Sony's Bravia LCD TVs have incorporated quantum dot technology to get exceptionally high-end color. The technology involves nanoscale particles known as quantom dots. They improve significantly the color viewing in the new TVs.

Algunas televisiones Bravia LCD de Sony han incorporado tecnología basada en puntos cuánticos para lograr una excepcionalmente alta calidad de colores. La tecnología involucra nanopartículas conocidas como puntos cuánticos. Estas nanopartículas mejoran significativamente la percepción de color en las nuevas televisiones.

Sony's Bravia LCD TVs, in selected models, have incorporated quantum dot technology to boost sales of these high-end televisions by featuring exceptionally high-end color. The technology is from the Massachusetts-based company, QD Vision, and that technology involves nanoscale particles known as quantum dots. They are to significantly improve color viewing for the new Sony TVs.

Read more at: http://phys.org/news/2013-01-sony-tvs-high-end-quantum-dot.html#jCp

COHERENT PHONON HEAT CONDUCTION IN SUPERLATTICES

"Coherent Phonon Heat Conduction in Superlattices". M. N. Luckyanova, J. Garg, K. Esfarjani, A. Jandl, M. T. Bulsara, A. J. Schmidt, A. J. Minnich, S. Chen, M. S. Dresselhaus, Z. Ren, E. A. Fitzgerald, G. Chen. SCIENCE 338, 936 (2012). DOI: 10.1126/science.1225549

The control of heat conduction through the manipulation of phonons as coherent waves in solids is of fundamental interest and could also be exploited in applications, but coherent heat conduction has not been experimentally confirmed. We report the experimental observation of coherent heat conduction through the use of finite-thickness superlattices with varying numbers of periods. The measured thermal conductivity increased linearly with increasing total superlattice thickness over a temperature range from 30 to 150 kelvin, which is consistent with a coherent phonon heat conduction process. First-principles and Green’s function–based simulations further support this coherent transport model. Accessing the coherent heat conduction regime opens a new venue for phonon engineering for an array of applications.  

El control de la conducción de calor por medio de la manipulación de los fonones como ondas coherentes en sólidos es de interés fundamental y pudiera también ser utilizado en aplicaciones, pero la condución coherente de calor no se ha confirmado experimentalmente. Aquí se reporta la observación experimental de conducción coherente de calor por medio del uso de super-redes que tienen espesores finitos y cuyos períodos varían. Las medidas de conductividad térmica se incrementan linealmente conforme aumenta el espesor total de la super-red en el intervalo de temperaturas que van de 30 a 150 kelvin, lo cual es consistente con un proceso de conducción de calor mediante fonones coherentes. Simulaciones de primeros principios y basadas en la función de Green confirman este model de transporte coherente. Lograr un régimen de conducción coherente de calor abre un nuevo camino a la ingeniería de fonones para toda una variedad de aplicaciones.

http://dx.doi.org/10.1126/science.1225549

SEQUENCE-SPECIFIC PEPTIDE SYNTHESIS BY AN ARTIFICIAL SMALL-MOLECULE MACHINE

"Sequence-Specific Peptide Synthesis by an Artificial Small-Molecule Machine". B. Lewandowski, G. De Bo, J. W. Ward, M. Papmeyer, S. Kuschel, M. J. Aldegunde, P. M. E. Gramlich, D. Heckmann, S. M. Goldup, D. M. D'Souza, A. E. Fernandes, D. A. Leigh. SCIENCE 339, 189 (2013). DOI: 10.1126/science.1229753

 The ribosome builds proteins by joining together amino acids in an order determined by messenger RNA. Here, we report on the design, synthesis, and operation of an artificial small-molecule machine that travels along a molecular strand, picking up amino acids that block its path, to synthesize a peptide in a sequence-specific manner. The chemical structure is based on a rotaxane, a molecular ring threaded onto a molecular axle. The ring carries a thiolate group that iteratively removes amino acids in order from the strand and transfers them to a peptide-elongation site through native chemical ligation. The synthesis is demonstrated with ~10¹⁸ molecular machines acting in parallel; this process generates milligram quantities of a peptide with a single sequence confirmed by tandem mass spectrometry. 

El ribosoma elabora proteínas juntando aminoácidos en un orden determinado por medio del ARN mensajero. Aquí se reporta el diseño, síntesis y operación de una máquina artificial hecha de pequeñas moléculas que se desplaza a lo largo de una cinta molecular, recogiendo los aminoácidos que impiden su paso, para entonces sintetizar un péptido de una forma secuencial específica. La estructura química se basa en un rotaxano, que es un anillo molecular enrollado a un eje molecular. El anillo lleva un grupo tiolado que remueve iterativa y ordenadamente a los aminoacidos de la cinta y los lleva a un sitio de elongación de péptidos a través de un enlace químico nativo. La síntesis se demuestra con ~10¹⁸ máquinas moleculares funcionando en paralelo, este proceso genera miligramos de péptidos con una sola secuencia, lo cual se cofirma por espectroscopia tándem de masas.

 http://dx.doi.org/10.1126/science.1229753

SUPEROMNIPHOBIC SURFACES FOR EFFECTIVE CHEMICAL SHIELDING

"Superomniphobic Surfaces for Effective Chemical Shielding". S. Pan, A. K. Kota, J. M. Mabry, A. Tuteja. JOURNAL OF THE AMERICAN CHEMICAL SOCIETY. In press. DOI: 10.1021/ja310517s

Superomniphobic surfaces display contact angles >150° and low contact angle hysteresis with essentially all contacting liquids. In this work, we report surfaces that display superomniphobicity with a range of different non-Newtonian liquids, in addition to superomniphobicity with a wide range of Newtonian liquids. Our surfaces possess hierarchical scales of re-entrant texture that significantly reduce the solid–liquid contact area. Virtually all liquids including concentrated organic and inorganic acids, bases, and solvents, as well as viscoelastic polymer solutions, can easily roll off and bounce on our surfaces. Consequently, they serve as effective chemical shields against virtually all liquids—organic or inorganic, polar or nonpolar, Newtonian or non-Newtonian.

Las superficies omnifóbicas muestran ángulos de contacto >150° y una baja histéresis del ángulo de contacto ante prácticamente todos los líquidos con los que tienen contacto. En este trabajo se reportan superficies que muestran superomnifobicidad ante diversos líquidos no newtonianos, adicionalmente a la superomnifobicidad que muestran ante toda una variedad de líquidos newtonianos. Estas superficies poseen escalas jerárquicas de textura re-entrante que reducen significativamente el área de contacto líquido-sólido. Virtualmente todos los líquidos, incluídos los ácidos orgánicos e inorgánicos concentrados, las bases y los disolventes, así como las soluciones de polímeros viscoelásticos, pueden fácilmente rebotar y rodar sobre las superficies. En consecuencia, estas superficies sirven como barreras químicas efectivas en contra de, virtualmente, todos los líquidos—orgánicos o inorgánicos, polares o no polares, newtonianos o no newtonianos.

http://dx.doi.org/10.1021/ja310517s

NANOWIRE NETWORKS

Video about the nanowire networks made at the University of Reading (UK).

Video acerca de redes de nanoalmabres hechos en la University of Reading (Inglaterra).

ULTRATHIN, HIGH-EFFICIENCY, BROAD-BAND, OMNI-ACCEPTANCE, ORGANIC SOLAR CELLS ENHANCED BY PLASMONIC CAVITY WITH SUBWAVELENGTH HOLE ARRAY

 "Ultrathin, high-efficiency, broad-band, omni-acceptance, organic solar cells enhanced by plasmonic cavity with subwavelength hole array". S. Y. Chou, W. Ding. OPTICS EXPRESS 21, A60 (2013). DOI: 10.1364/OE.21.000A60

Three of central challenges in solar cells are high light coupling into solar cell, high light trapping and absorption in a sub-absorption-length-thick active layer, and replacement of the indium-tin-oxide (ITO) transparent electrode used in thin-film devices. Here, we report a proposal and the first experimental study and demonstration of a new ultra-thin high-efficiency organic solar cell (SC), termed “plasmonic cavity with subwavelength hole-array (PlaCSH) solar cell”, that offers a solution to all three issues with unprecedented performances. The ultrathin PlaCSH-SC is a thin plasmonic cavity that consists of a 30 nm thick front metal-mesh electrode with subwavelength hole-array (MESH) which replaces ITO, a thin (100 nm thick) back metal electrode, and in-between a polymer photovoltaic active layer (P3HT/PCBM) of 85 nm thick (1/3 average absorption-length). Experimentally, the PlaCSH-SCs have achieved (1) light coupling-efficiency/absorptance as high as 96% (average 90%), broad-band, and Omni acceptance (light coupling nearly independent of both light incident angle and polarization); (2) an external quantum efficiency of 69% for only 27% single-pass active layer absorptance; leading to (3) a 4.4% power conversion efficiency (PCE) at standard-solar-irradiation, which is 52% higher than the reference ITO-SC (identical structure and fabrication to PlaCSH-SC except MESH replaced by ITO), and also is among the highest PCE for the material system that was achievable previously only by using thick active materials and/or optimized polymer compositions and treatments. In harvesting scattered light, the Omni acceptance can increase PCE by additional 81% over ITO-SC, leading to a total 175% increase (i.e. 8% PCE). Furthermore, we found that (a) after formation of PlaCSH the light reflection and absorption by MESH are reduced by 2 to 6 fold from the values when it is alone; and (b) the sheet resistance of a 30 nm thick MESH is 2.2 ohm/sq or less–4.5 fold or more lower than the best reported value for a 100 nm thick ITO film, giving a lowest reflectance-sheet-resistance product. Finally, fabrication of PlaCSH has used nanoimprint on 4” wafer and is scalable to roll-to-roll manufacturing. The designs, fabrications, and findings are applicable to thin solar cells in other materials. 

Tres de los retos centrales que existen en la fabricación de celdas solares son un alto acoplamiento de la luz a la celda solar, un alto atrapamiento de luz y una alta absorción en una capa activa de espesor sumamente pequeño, y el reemplazo del óxido de indio estaño (ITO) como electrodo transparente en los dispositivos de películas delgadas. Aquí se reporta una propuesta y el primer estudio experimental que demuestra una nueva celda solar (SC) orgánica ultradelgada de alta eficiencia, nombrada "celda solar de cavidad plasmónica con arreglo de huecos de dimensión inferior a la longitud de onda (PlaCSH)", que ofrece una solución sin precedentes a los tres retos mencionados. Las PlaCSH-SC ultradelgadas son cavidades plasmónicas delgadas que consisten de un electrodo de 30 nm de espesor, hecho de un enrejado metálico con un arreglo de huecos de dimensiones inferiores a la longitud de onda (MESH), que reemplaza al ITO, de un contraelectrodo metálico delgado (100 nm de espesor), y entre los electrodos, de una capa activa de 85 nm de espesor hecha de un polímero fotovoltaico (P3HT/PCBM) (en promedio, con 1/3 de profundidad de absorción). Experimentalmente las PlaCSH-SC logran (1) una eficiencia de acoplamiento/absorción de luz de hasta un 96% (90% en promedio), una amplia banda espectral, y una omni-aceptación (acoplamiento de luz independiente del ángulo de incidencia y de la polarización de la luz); (2) una eficiencia cuántica externa del 69% para tan sólo el 27% de la absorbancia sencilla de la capa activa; llevando a (3) una eficiencia de conversión energética del 4.4% (PCE) ante iluminación solar estándar, la cual es 52% mayor que las de las ITO-SC de referencia (con fabricación y estructura idénticas que las PlaCSH-SC, salvo por el ITO reemplazado por MESH), y también su PCE se encuentra entre las más altas reportadas para sistemas obtenidos previamente a partir de el uso exclusivo de capas activas gruesas y/o compuestos de polímeros optimizados. En cuanto a la colección de luz esparcida, la omni-aceptación puede incrementar la PCE en un 81% adicional por encima de las de ITO-SC, llevando a un incremento total del 175% (i.e. 8% PCE). Además, se encontró que (a) después de la formación de PlaCSH la reflexión y la absorción de la luz por MESH se reduce en un factor que va de 2 a 6 respecto a cuando se encuentra aislada; y (b) la resistencia de la capa de MESH de 30 nm es de 2.2 ohm/sq o menor - 4.5 veces menor que el mejor valor reportado para una película de ITO de 100 nm de espesor, dando lugar a un material con el menor valor del producto reflectancia-resistencia. Finalmente, durante la fabricación de PlaCSH se ha hecho uso de nanoimpresión sobre una oblea de 4", pero es escalable a una manufactura hecha por rodillos. Los diseños, la fabricación y los resultados también se aplican a celdas solares delgadas hechas con otros materiales.

http://dx.doi.org/10.1364/OE.21.000A60 

CONTROLLED-REFLECTANCE SURFACES WITH FILM-COUPLED COLLOIDAL NANOANTENNAS

 

"Controlled-reflectance surfaces with film-coupled colloidal nanoantennas". A. Moreau, C. Ciraci, J. J. Mock, R. T. Hill, Q. Wang, B. J. Wiley, A. Chilkoti, D. R. Smith. NATURE 492, 86 (2012). DOI: 10.1038/nature11615

Efficient and tunable absorption is essential for a variety of applications, such as designing controlled-emissivity surfaces for thermophotovoltaic devices, tailoring an infrared spectrum for controlled thermal dissipation and producing detector elements for imaging. Metamaterials based on metallic elements are particularly efficient as absorbing media, because both the electrical and the magnetic properties of a metamaterial can be tuned by structured design. So far, metamaterial absorbers in the infrared or visible range have been fabricated using lithographically patterned metallic structures, making them inherently difficult to produce over large areas and hence reducing their applicability. Here we demonstrate a simple method to create a metamaterial absorber by randomly adsorbing chemically synthesized silver nanocubes onto a nanoscale-thick polymer spacer layer on a gold film, making no effort to control the spatial arrangement of the cubes on the film. We show that the film-coupled nanocubes provide a reflectance spectrum that can be tailored by varying the geometry (the size of the cubes and/or the thickness of the spacer). Each nanocube is the optical analogue of a grounded patch antenna, with a nearly identical local field structure that is modified by the plasmonic response of the metal’s dielectric function, and with an anomalously large absorption efficiency that can be partly attributed to an interferometric effect. The absorptivity of large surface areas can be controlled using this method, at scales out of reach of lithographic approaches (such as electron-beam lithography) that are otherwise required to manipulate matter on the nanoscale. 

La absorción eficiente y modulable es esencial para toda una variedad de aplicaciones tales como el diseño de superficies con emisión controlada para dispositivos termofotovoltaicos, el diseño dirigido en el espectro infrarrojo para la disipación térmica controlada, y la producción de elementos de detección para imagenología. Los metamateriales hechos de elementos metálicos son particularmente eficientes como medios de absorción, porque tanto sus propiedades eléctricas como magnéticas pueden modificarse por medio de su diseño estructural. Desde hace tiempo los metamateriales usados para absorción en el infrarrojo o en el visible se han fabricado realizando litografía en base a máscaras con estructuras metálicas, lo cual los vuelve difíciles de producir a gran escala, reduciendo así sus posibles aplicaciones. Aquí se muestra un método sencillo para crear un metamaterial que absorbe luz, por medio de la síntesis de nanocubos de plata, a través de adsorción química aleatoria, sobre una capa de polímero de grosor nanométrico depositada sobre una película de oro, sin necesidad de controlar el arreglo espacial de los cubos sobre la película. Se muestra que los nanocubos acoplados a la película proporcionan un espectro de reflectancia que puede modificarse de manera controlada a partir de la modificación de la geometría (del tamaño de los cubos y/o del grosor del espaciador). Cada nanocubo es el análogo óptico de una antena aterrizada, con una estructura del campo local casi idéntica, la cual es modificada por la respuesta plasmónica de la función dieléctrica del metal, y con una enorme y anómala eficiencia de absorción, la cual se puede atribuir parcialmente a un efecto de interferencia. La absortividad de superficies extensas puede controlarse utilizando este método, en escalas que sobrepasan a los métodos litográficos (tales como la litografía por haces de electrones), y que de otra manera se requerirían para manipular a la materia en la nanoescala.

http://dx.doi.org/10.1038/nature11615

NANOFOCUSING IN A METAL-INSULATOR-METAL GAP PLASMON WAVEGUIDE WITH A THREE-DIMENSIONAL LINEAR TAPER

 

"Nanofocusing in a metal–insulator–metal gap plasmon waveguide with a three-dimensional linear taper". H. Choo, M.-K. Kim, M. Staffaroni, T. J. Seok, J. Bokor, S. Cabrini, P. J. Schuck, M. C. Wu, E. Yablonovitch. NATURE PHOTONICS 6, 838 (2012). DOI: 10.1038/nphoton.2012.277

The development of techniques for efficiently confining photons on the deep sub-wavelength spatial scale will revolutionize scientific research and engineering practices. The efficient coupling of light into extremely small nanofocusing devices has been a major challenge in on-chip nanophotonics because of the need to overcome various loss mechanisms and the on-chip nanofabrication challenges. Here, we demonstrate experimentally the achievement of highly efficient nanofocusing in an Au–SiO₂–Au gap plasmon waveguide using a carefully engineered three-dimensional taper. The dimensions of the SiO₂ layer, perpendicular to the direction of wave propagation, taper linearly below 100 nm. Our simulations suggest that the three-dimensional linear-tapering approach could focus 830 nm light into a 2 × 5 nm² area with ≤3 dB loss and an intensity enhancement of 3.0 × 10⁴. In a two-photon luminescence measurement, our device achieved an intensity enhancement of 400 within a 14 × 80 nm² area, and a transmittance of 74%.

El desarrollo de técnicas que permitan una confinación eficiente de fotones en regiones espaciales de dimensiones inferiores a la longitud de onda pudieran revolucionar la manera en que se hace investigación científica y de ingeniería. El acoplamiento eficiente de la luz en dispositivos de nanoenfoque extremadamente pequeños ha sido un reto importante para la nanofotónica integrada, debido a la necesidad de superar varios mecanismos de pérdidas y varios retos de nanofabricación integrada. Aquí se demuestra experimentalmente que se pueden lograr nanoenfoques muy eficientes en la brecha plasmónica de una guía de onda hecha de Au–SiO₂–Au, utilizando cuidadosamente un reductor tridimensional. Las dimensiones de la capa de SiO₂, en la dirección perpendicular a la propagación de la onda, se reduce linealmente por debajo de los 100 nm. Las simulaciones sugieren que la reducción lineal tridimensional puede enfocar luz de 830 nm en un área de 2 x 5  nm², con pérdidas  ≤3 dB y un aumento de intensidad del 3.0 × 10⁴. En una medición de luminiscencia a dos fotones, el dispositivo logró un aumento de intensidad de 400 en un área de 14 × 80 nm², así como una transmitancia del 74%.

http://www.nature.com/nphoton/journal/v6/n12/full/nphoton.2012.277.html