Nanoplasmonisk hviskegalleri slår emissionstidsrekord i halvledere

Renæssancearkitekter demonstrerede deres forståelse af geometri og fysik, da de byggede hviskende gallerier ind i deres katedraler. Disse cirkulære kamre er designet til at forstærke og dirigere lydbølger, så når man står på det rigtige sted, en hvisken kunne høres fra den anden side af lokalet. Nu, forskere ved University of Pennsylvania har anvendt det samme princip på nanoskalaen for at reducere emissionslevetiden drastisk, en nøgleegenskab ved halvledere, som kan føre til udviklingen af ​​nye ultrahurtige fotoniske enheder.

Forskningen blev udført af lektor Ritesh Agarwal, postdoc-stipendiater Chang-Hee Cho og Sung-Wook Nam og kandidatstuderende Carlos O. Aspetti, hele Institut for Materialevidenskab og Teknik i Penns School of Engineering and Applied Science. Michael E. Turk og James M. Kikkawa fra Institut for Fysik og Astronomi på School of Arts and Sciences bidrog også til undersøgelsen.

Deres forskning blev offentliggjort i tidsskriftet Naturmaterialer .

"Når du exciterer en halvleder, så tager det et par nanosekunder at komme tilbage til grundtilstanden ledsaget af udsendelse af lys, " sagde Agarwal. "Det er emissionslevetiden. Det er nogenlunde den tid, lyset er tændt, og dermed den tid, det tager for den at være klar til at blive tændt igen.

"Hvis du laver en modulator, noget der skifter frem og tilbage, du er begrænset af denne tidskonstant. Det, vi har gjort, er at reducere det til mindre end et picosekund. Det er mere end tusind gange hurtigere end noget andet tilgængeligt i øjeblikket."

I halvledere, den exciterede tilstand er, når energi er til stede i systemet, og grundtilstanden er, når der ikke er nogen. Normalt, halvlederen skal først "køle ned" i den exciterede tilstand, frigiver energi som varme, før du "hopper" tilbage til grundtilstanden, frigiver den resterende energi som lys. Penn-teamets halvleder nanotråde, imidlertid, kan hoppe direkte fra en ophidset tilstand med høj energi til jorden, alt undtagen at eliminere nedkølingsperioden.

Fremgangen i emissionslevetid skyldes den unikke konstruktion af holdets nanotråde. I deres kerne, de er cadmiumsulfid, et almindeligt nanotrådsmateriale. Men de er også pakket ind i et bufferlag af siliciumdioxid, og, kritisk, et ydre lag af sølv. Sølvbelægningen understøtter det, der er kendt som overfladeplasmoner, unikke bølger, der er en kombination af oscillerende metalelektroner og af lys. Disse overfladeplasmoner er stærkt begrænset til overfladen, som siliciumdioxid- og sølvlagene mødes.

"Den tidligere state of the art var at tage en nanotråd, ligesom vores, og lægger den på en metaloverflade, " sagde Agarwal. "Vi buede metaloverfladen rundt om ledningen, at lave et komplet plasmonisk hulrum i nanoskala og den hviskende gallerieffekt."

For visse nanotrådsstørrelser, sølvbelægningen skaber lommer af resonans og dermed stærkt begrænsede elektromagnetiske felter i nanostrukturen. Emissions levetid kan derefter konstrueres ved præcist at kontrollere højintensitets elektromagnetiske felter inde i det lysemitterende medium, som er cadmiumsulfidkernen.

For at nå en emissionslevetid målt i femtosekunder, forskerne havde brug for optimalt at balancere dette høj indelukkede elektromagnetiske felt med en passende "kvalitetsfaktor, " måling af, hvor god et hulrum er til at lagre energi. For at komplicere sagen, kvalitetsfaktor og indespærring har et omvendt forhold; jo højere kvalitetsfaktor et hulrum har, jo større er det og jo mindre indeslutning. Imidlertid, ved at vælge en rimelig kvalitetsfaktor, forskerne kunne i høj grad øge indespærringen af ​​det elektriske felt inde i nanotråden ved at bruge resonansoverfladeplasmoner og få den rekordstore emissionslevetid.

Denne forbedring i mange størrelsesordener kunne finde et hjem i en række forskellige applikationer såsom LED'er, detektorer og andre nanofotoniske enheder med nye egenskaber.

"Plasmoniske computere kunne gøre god brug af disse nanotråde, " sagde Cho. "Vi kunne øge moduleringshastigheden til terahertz-området, mens elektroniske computere er begrænset til et par gigahertz-område."

"Den samme fysik styrer emission og absorption, så disse nanotråde kunne også bruges til at øge effektiviteten af ​​absorption i solceller, " sagde Agarwal.