Группа европейских исследователей под общим руководством швейцарской Высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich) открыла новый механизм, который позволяет сделать излучение света наноразмерным полупроводником более эффективным. Об этом сообщает официальный сайт ETH Zurich. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
Быстрое переключение и модуляция света лежат в основе наиболее перспективных технологий передачи данных. В частности, за счет этого передается информация по оптоволоконным кабелям в виде модулированных световых лучей. Последние несколько лет исследователям удается миниатюризировать модуляторы света и интегрировать их в чипы, но сами источники света (светодиоды или лазеры) по-прежнему создают проблемы для инженеров.
Группа исследователей из ETH Zurich во главе с профессором Лукасом Новотны вместе с коллегами из лабораторий EMPA в Дюбендорфе и ICFO в Барселоне нашли новый механизм, с помощью которого в будущем можно будет производить крошечные, но очень эффективные источники света. Результаты их исследования недавно были опубликованы в научном журнале Nature Materials.
«Чтобы достичь этого, нам сначала пришлось попробовать неожиданное», – говорит профессор Новотны. В течение нескольких лет он и его коллеги работали над наноразмерными источниками света, основанными на туннельном эффекте. Между двумя электродами (в данном случае из золота и графена), разделенными изолирующим материалом, электроны могут туннелировать в соответствии с правилами квантовой механики, при определенных обстоятельствах генерируя свет.
«К сожалению, мощность этих источников света довольно низкая, потому что данное излучение в целом малоэффективно», – объясняет научный сотрудник ETH Zurich Сотириос Пападопулос.
Схожая проблема хорошо известна по другим областям современной микроэлектроники.
Например, в мобильных телефонах микросхемы, создающие микроволны, необходимые для передачи, имеют размер всего несколько миллиметров. При этом сами микроволны имеют длину волны около 20 сантиметров – в сто раз больше, чем чип. Чтобы преодолеть эту разницу в размерах, необходима антенна (которая в современных телефонах практически не видна снаружи). Точно так же в экспериментах цюрихских исследователей длина волны света намного превышала размеры источника света.
«Можно подумать, что мы сознательно искали антенное решение, но на самом деле это было не так», – отмечает Пападопулос. Научная группа ETH Zurich изначально исследовала слои полупроводниковых материалов (таких как дисульфид вольфрама) толщиной в один атом, зажатых между электродами туннельного перехода, чтобы таким образом создавать свет.
В принципе можно было бы предположить, что оптимальное положение должно быть где-то между двумя электродами, может быть, немного ближе к одному, чем к другому. Вместо этого исследователи попробовали нечто совершенно иное, поместив полупроводник поверх графенового электрода – полностью вне зоны туннельного перехода. Удивительно, но это сработало очень хорошо.
Исследователи выяснили причину данного явления, варьируя напряжение, подаваемое на туннельный переход, и измеряя ток, протекающий через него. Это измерение показало четкий резонанс, который соответствовал так называемому экситонному резонансу полупроводникового материала. Экситоны состоят из положительно заряженной дырки, которая соответствует отсутствующему электрону, и электрона, связанного дыркой. Их можно возбудить, например, световым облучением.
Экситонный резонанс был явным признаком того, что полупроводник не возбуждался напрямую носителями заряда (ведь через него не текли электроны), а скорее поглощал энергию, созданную в туннельном переходе, и впоследствии переизлучал ее. Другими словами, он действовал очень похоже на антенну.
«Пока что эта «антенна» не очень хороша, потому что внутри полупроводника создаются так называемые «темные» экситоны, а значит, излучается мало света», – признает Новотны, но исследователи уже намечают пути сделать излучение света полупроводником более эффективным.
В этом случае станет возможным создание источников света размером всего в несколько нанометров – то есть в тысячу раз меньше, чем длина волны света, который они излучают.