Excitonisk stråling henfalder hurtigere end termisk affasning i ZnO tynde film

Et team af forskere fra Osaka University, Osaka Prefecture University, Osaka City University, og University of Shiga Prefecture har fundet excitonisk strålingsforfald hurtigere end termisk affasning ved stuetemperatur i tynde filmoxid (ZnO). Disse resultater, udgivet for nylig i Fysisk gennemgangsbreve , vil i høj grad reducere det termiske energitab ved optiske operationer.

En exciton er en bundet tilstand af en elektron og et elektronhul, der tiltrækkes af hinanden. ZnO, som har et bredt båndgab og høj excitonisk stabilitet, studeres som et lovende materiale til forskellige fotoniske enheder såsom blå/ultraviolet-emitterende dioder, ultraviolette lasere, og ultraviolet absorberende solbatterier.

Atomer og molekyler kan absorbere lysenergien og hoppe til et højere energiniveau (ophidset tilstand), men i den omvendte proces, kendt som lysemission, de vender tilbage til grundtilstanden ved at frigive den ekstra energi, de absorberede. Dette kaldes en "optisk proces". For at forbedre emissionseffektiviteten i solide enheder såsom lysemitterende dioder, det er nødvendigt at styrke lys-stof interaktion og fremskynde absorption og emission af lys; imidlertid, den marginale ydelse af ZnO bestående af dobbelt excitonbånd (figur 1b) blev ikke godt forstået.

At fremskynde den optiske proces er vigtig for at realisere energibesparelser, højeffektive optiske enheder, fordi en optisk proces hurtigere end termisk affasning ville reducere termisk energitab; imidlertid, der var ingen klare vejledende principper for at udvikle højhastigheds fotoniske enheder, og man mente, at det strålende henfald af ophidsede tilstande i faste stoffer tog mindst flere titalls picosekunder (ps).

De konstituerende atomer og molekyler i faste stoffer spiller rollen som dipolantenner, hvis ophidsede energier udsendes som lys. Størrelsen af ​​rumlig ekspansion af disse antenner bestemmer hastigheden og effektiviteten af ​​lysstråling, eller ydelsen af ​​lysemitterende enheder.

I dette studie, holdet foreslog en ny teori:et makroskopisk antal atomer danner i fællesskab vidt udvidede gigantantenner i ZnO -krystaller og "tvillingeantennerne" synkront oscillerer forstærkende med hinanden på grund af ZnO's valensbånds degenerering. (Figur 1c)

I forsøg, de målte strålende henfaldstider ved hjælp af høj kvalitet ZnO tynde film (figur 1a), viser, at ekstremt hurtigt henfald på knap 20 femtosekunder (fs) fandt sted. (Figur 1d) Denne hastighed er tre størrelsesordener hurtigere end nogensinde observeret i typiske halvledere og endda hurtigere end hastigheden ved termisk affasning af excitoner ved stuetemperatur, som åbner vejen for at realisere "ultrahurtig og termofri" fotonik.

Hovedforfatter Matsuda siger, "I princippet, varme produceres ikke i en optisk proces hurtigere end termisk affasning af excitoner, så det kan siges, at vores forskningsresultater vil tjene som vejledende princip for at udvikle næste generations fotoniske enheder med ikke-termogen, næste generations ultra-lave energiforbrug. Konventionelle optiske enheder genererer varme og aktive optiske enheder, der absorberer lys, i særdeleshed, øge strømforbruget. Vores nye teori vil hjælpe med at realisere et bæredygtigt samfund ud over grænser for energieffektivitet, der konventionelt tages for givet. "