Forskere opdager universel lov for lysabsorption i 2D -halvledere

Fra solceller til optoelektroniske sensorer til lasere og billeddannelsesenheder, mange af nutidens halvlederteknologier afhænger af absorptionen af ​​lys. Absorption er især kritisk for nanostørrelser i grænsefladen mellem to energibarrierer kaldet kvantebrønde, hvor ladningsbærernes bevægelse er begrænset til todimensioner. Nu, for første gang, en enkel lov om lysabsorbering for 2D -halvledere er blevet demonstreret.

Arbejde med ultratynde membraner i halvlederen indiumarsenid, et team af forskere med det amerikanske energiministerium (DOE) s Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har opdaget en kvanteenhed for fotonabsorption, som de har døbt "A _Q , "det bør være generelt for alle 2D -halvledere, herunder sammensatte halvledere af III-V-familien, der foretrækkes til solfilm og optoelektroniske enheder. Denne opdagelse giver ikke kun ny indsigt i de optiske egenskaber ved 2D -halvledere og kvantebrønde, det bør også åbne døre til eksotiske nye optoelektroniske og fotoniske teknologier.

"Vi brugte fritstående indiumarsenidmembraner ned til tre nanometer i tykkelse som et modellematerialesystem til nøjagtigt at undersøge absorptionsegenskaberne for 2D-halvledere som en funktion af membrantykkelse og elektronbåndsstruktur, "siger Ali Javey, en fakultetsforsker i Berkeley Labs Materials Sciences Division og en professor i elektroteknik og datalogi ved University of California (UC) Berkeley. "Vi opdagede, at størrelsen af ​​trinvis absorption i disse materialer er uafhængig af tykkelse og detaljer på båndstrukturen."

Javey er en af ​​to tilsvarende forfattere til et papir, der beskriver denne forskning i Procedurer fra National Academy of Sciences ( PNAS ). Papiret har titlen "Kvantum af optisk absorption i todimensionale halvledere." Eli Yablonovitch, en elektriker, der også har fælles aftaler med Berkeley Lab og UC Berkeley, er den anden tilsvarende forfatter.

Tidligere arbejde har vist, at grafen, et todimensionalt ark kulstof, har en universel værdi af lysabsorbering. Javey, Yablonovitch og deres kolleger har nu fundet ud af, at en lignende generaliseret lov gælder for alle 2D -halvledere. Denne opdagelse blev muliggjort af en unik proces, som Javey og hans forskningsgruppe udviklede, hvor tynde film af indiumarsenid overføres til et optisk gennemsigtigt substrat, i dette tilfælde calciumfluorid.

"Dette gav os ultratynde membraner af indiumarsenid, kun få enhedsceller i tykkelse, der absorberer lys på et underlag, der ikke absorberer lys, "Javey siger." Vi var derefter i stand til at undersøge de optiske absorptionsegenskaber for membraner, der varierede i tykkelse fra tre til 19 nanometer som en funktion af båndstruktur og tykkelse. "

Ved hjælp af Fourier transform infrarød spektroskopi (FTIR) kapacitet i Beamline 1.4.3 på Berkeley Labs avancerede lyskilde, en national brugerfacilitet fra DOE, Javey, Yablonovitch og deres medforfattere målte størrelsen af ​​lysabsorption i overgangen fra et elektronisk bånd til det næste ved stuetemperatur. De observerede en diskret trinvis stigning ved hver overgang fra indiumarsenidmembraner med et A _Q værdi på cirka 1,7 procent pr. trin.

"Denne absorptionslov ser ud til at være universel for alle 2D halvleder systemer, "siger Yablonovitch." Vores resultater tilføjer den grundlæggende forståelse af elektron -foton -interaktioner under stærk kvanteindeslutning og giver en unik indsigt i brugen af ​​2D -halvledere til nye fotoniske og optoelektroniske applikationer. "