Studerar nanoantenner för framtidens 3d-displayer

15 november 2023

Skulle framtidens displayer kunna effektiviseras genom att ljuset i stället för att komma inifrån displayen kan reflekteras fram via nanoantenner? Kan detta vara starten för framtida hologram? Hur kan i så fall ljuset styras?

Detta är forskningsfrågor som Magnus Jonsson sökt svar på i ett ÅForsk-finansierat projekt.

Magnus Jonsson är professor inom tillämpad fysik och leder en forskargrupp vid Laboratoriet för Organisk Elektronik (LOE), Campus Norrköping. Laboratoriet är en del av Linköpings universitet och har satt Sverige på världskartan när det gäller forskning inom området.

I ett projekt finansierat av ÅForsk har Magnus Jonssons team skapat nanostrukturer från olika organiska metalliknande material. I en del av forskningen studeras ledande polymerer, en typ av plaster som kan leda elektricitet.

I traditionella metaller som guld eller silver kan elektronerna sättas i en särskild rörelse som kallas plasmon. Denna rörelse gör det möjligt för nanopartiklar av materialet att fungera som en slags antenner för ljus. Magnus Jonssons forskargrupp visade för några år sedan att nanostrukturer av ledande polymerer också kan agera som plasmoniska nanoantenner och att deras egenskaper dessutom kan styras dynamiskt genom att variera materialets laddningstäthet.

– Nanostrukturerna kallas nanoantenner för att de beter sig som en traditionell antenn men för ljus med kortare våglängder, berättar Magnus Jonsson.

Antennerna kan exempelvis användas för så kallade optiska metaytor. På sådana ytor placeras nanoantenner i speciella mönster. Det kan finnas olika nanostrukturer och på varje unikt ställe kan den enskilda nanostrukturen kontrollera ljuset precis där. Genom att kontrollera ljus på många olika ställen kan den totala ljusinteraktionen med ytan kontrolleras.

Användningsområdena är flera. Optiska komponenter gjorda av nanoantenner skulle exempelvis kunna ersätta eller komplettera dagens böjda linser. Framtidens linser skulle kunna bestå av en väldigt tunn plan metayta där nanoantenner bildar strukturen av en lins – som kan fokusera ljus på samma sätt som dagens böjda linser kan.

– Ett av våra mål är att bidra med forskning som möjliggör att sådana ytor kan styras dynamiskt. Då blir det exempelvis möjligt att styra linsens förmåga. Ett annat spännande applikationsområde för framtiden är 3D-displayer eller så kallade tredimensionella hologram, säger Magnus Jonsson.

Experiment på centimeterstora ytor

Det är små strukturer det handlar om. En nanostrukturs storlek förhåller sig ungefär som en tennisbolls storlek förhåller sig till jorden. I experimenten droppas en lösning med så kallade nanobollar över en centimeterstor yta. Nanobollarna används sedan för tillverkning av nanoantenner i en process som kallas kolloidal litografi.

– På så vis kan vi tillverka miljarders nanostrukturer samtidigt över stora områden, berättar Magnus Jonsson.

Projektet finansierat av ÅForsk har dessutom studerat andra tillverkningsmetoder, som inte minst möjliggjort en ny typ av nanoantenner av en annan typ av organiskt material. Trots att detta material inte leder elektricitet, visade forskarna att nanostrukturer av materialet ändå kunde ge liknande egenskaper som en nanoantenn av metall. Utöver det kunde samma nanostruktur bidra med annan typ av nanooptiskt resonanseffekt vid andra våglängder.

Magnus Jonsson ser stor potential för forskningen och flera utvecklingsområden.

– I en inriktning vill vi ta fram reflektiva displayer som fungerar bra i färg. Dagens reflektiva displayer är ofta svartvita. Att få till färger med tillräckligt bra läsbarhet är en utmaning. Vi skulle också vilja kunna styra vilka färger som visas, berättar Magnus Jonsson.

– Det skulle till exempel kunna vara användbart i smarta reklamaffischer, läsplattor eller i små tunna displayer som sätts på förpackningar. Dessa framtida displayer skulle kräva väldigt lite energi jämfört med displayer som skickar ut ljus, förklarar Magnus Jonsson.

Ny utrustning ger större möjligheter

Projektet har mött stort intresse, och resultaten har publicerats i flera vetenskapliga tidskrifter.

En utmaning som forskargruppen söker svar på är att få till styrbara nanoantenner för ljus i det synliga området som kan uppfattas av människan.

– Hittills har nanoantenner av ledande polymerer fungerat för ljus i det närinfraröda området, men inte för synligt ljus med kortare våglängder. Utmaningen kommer att kräva forskning om nya material och helt nya koncept. Med avseende på tillämpningar ska systemen gärna också vara stabila och kunna styras över en längre tid, förklarar Magnus Jonsson.

Så här långt har utrustningen för forskningen varit en begränsande faktor. Därför är Magnus Jonsson glad över att projektet som finansierats från ÅForsk tillsammans med andra initiativ bidragit till att ny utrustning kunnat köpas in.

– ÅForsk-projektet har bidragit till att vi kunnat ta resultaten vidare i andra projekt och med hjälp av medel från EU kan vi nu investera i en ny utrustning som gör det möjligt för oss att genomföra forskning om nanostrukturer på en helt annan nivå. Vi kommer att kunna tillverka mindre och mer specifika nanostrukturer och mönster, avslutar Magnus Jonsson.

Här kan du läsa mer om Magnus Jonssons forskning: https://www.mpjonsson.com.