Forskere udvikler ErSb nanostrukturer med applikationer i infrarøde og terahertz-områder

I en bedrift, der kan give en lovende række af applikationer, fra energieffektivitet til telekommunikation til forbedret billedbehandling, forskere ved UC Santa Barbara har skabt en sammensat halvleder af næsten perfekt kvalitet med indlejrede nanostrukturer, der indeholder ordnede linjer af atomer, der kan manipulere lysenergi i det mellem-infrarøde område. Mere effektive solceller, mindre risikabel og højere opløsning biologisk billeddannelse, og evnen til at transmittere enorme mængder data ved højere hastigheder er kun nogle få applikationer, som denne unikke halvleder vil være i stand til at understøtte.

"Dette er et nyt og spændende felt, " sagde Hong Lu, forsker i UCSB's materialeafdeling og hovedforfatter på en undersøgelse offentliggjort for nylig i tidsskriftet Nano bogstaver , en publikation fra American Chemical Society.

Nøglen til denne teknologi er brugen af ​​erbium, et sjældent jordmetal, der har evnen til at absorbere lys i den synlige såvel som den infrarøde bølgelængde - som er længere og lavere frekvensbølgelængder, som det menneskelige øje er vant til - og har været brugt i årevis til at forbedre ydeevnen af ​​silicium i produktionen af fiberoptik. Parring af erbium med grundstoffet antimon (Sb), forskerne indlejrede den resulterende forbindelse - erbiumantimonid (ErSb) - som semimetalliske nanostrukturer i den halvledende matrix af galliumantimonid (GaSb).

ErSb, ifølge Lu, er et ideelt materiale til at matche med GaSb på grund af dets strukturelle kompatibilitet med dets omgivende materiale, giver forskerne mulighed for at indlejre nanostrukturerne uden at afbryde den atomare gitterstruktur af den halvledende matrix. Jo mindre mangelfuld en halvleders krystalgitterstruktur er, jo mere pålidelig og bedre ydende vil den enhed, den bruges i, være.

"Nanostrukturerne er sammenhængende indlejret, uden at indføre mærkbare defekter, gennem vækstprocessen ved molekylær stråleepitaxi, " sagde Lu. "For det andet, vi kan styre størrelsen, formen og orienteringen af ​​nanostrukturerne." Udtrykket "epitaxy" refererer til en proces, hvorved lag af materiale aflejres atom for atom, eller molekyle for molekyle, den ene oven på den anden med en bestemt orientering.

"Det er virkelig en ny slags heterostruktur, " sagde Arthur Gossard, professor i Materialeafdelingen og desuden i Institut for Elektro- og Computerteknik. Mens halvledere, der inkorporerer forskellige materialer, er blevet undersøgt i årevis - en teknologi UCSB professor og nobelpristager Herbert Kroemer var pioner - en enkelt krystal heterostruktureret halvleder/metal er i en klasse for sig.

Nanostrukturerne gør det muligt for den sammensatte halvleder at absorbere et bredere spektrum af lys på grund af et fænomen kaldet overfladeplasmonresonans, sagde Lu, og at effekten har potentielle anvendelser inden for brede forskningsfelter, som solceller, medicinske applikationer til at bekæmpe kræft, og i det nye felt af plasmonics.

Optik og elektronik fungerer på vidt forskellige skalaer, med elektronindeslutning er mulig i rum langt mindre end lysbølger. Derfor, det har været en vedvarende udfordring for ingeniører at skabe et kredsløb, der kan udnytte fotonernes hastighed og datakapacitet og elektronikkens kompakthed til informationsbehandling.

Den meget eftertragtede bro mellem optik og elektronik kan findes med denne sammensatte halvleder ved hjælp af overfladeplasmoner, elektronoscillationer ved overfladen af ​​et metal, der exciteres af lys. Når lys (i dette tilfælde, infrarød) rammer overfladen af ​​denne halvleder, elektroner i nanostrukturerne begynder at give genlyd - dvs. bevæge sig væk fra deres ligevægtspositioner og oscillere med samme frekvens som det infrarøde lys – og bevare den optiske information, men formindske den til en skala, der ville være kompatibel med elektroniske enheder.

Inden for billeddannelse, indlejrede nanotråde af ErSb tilbyder en stærk bredbåndspolarisationseffekt, ifølge Lu, filtrering og definition af billeder med infrarøde og endnu længere bølgelængde terahertz-lyssignaturer. Denne effekt kan bruges til at afbilde en række forskellige materialer, inklusive den menneskelige krop, uden risikoen ved de højere energier, der udgår fra røntgenstråler, for eksempel. Kemikalier som dem, der findes i sprængstoffer og nogle ulovlige stoffer, har unikke absorptionsegenskaber i denne spektrumregion. Forskerne har allerede ansøgt om patent på disse indlejrede nanotråde som en bredbåndslyspolarisator.

"Til infrarød billeddannelse, hvis du kan gøre det med kontrollerbare polariseringer, der er information der, " sagde Gossard.

Mens infrarøde og terahertz-bølgelængder tilbyder meget i vejen for den slags information, de kan give, udviklingen af ​​instrumenter, der kan drage fuld fordel af deres frekvensområde, er stadig et spirende område. Lu tilskriver dette gennembrud den kollaborative karakter af forskningen på UCSB-campus, hvilket gjorde det muligt for hende at fusionere sin materialeekspertise med kompetencerne hos forskere, der specialiserer sig i infrarød og terahertz-teknologi.

"Det er fantastisk her, " sagde hun. "Vi har dybest set samarbejdet og opdaget alle disse interessante træk og egenskaber ved materialet sammen."

"Noget af det mest spændende ved dette for mig er, at dette var et 'græsrodssamarbejde', " sagde Mark Sherwin, professor i fysik, direktør for Institut for Terahertz Videnskab og Teknologi ved UCSB, og en af ​​avisens medforfattere. Idéen til forskningens retning kom fra de yngre forskere i gruppen, han sagde, kandidatstuderende og bachelorer fra forskellige laboratorier og forskningsgrupper, der arbejder med forskellige aspekter af projektet, som alle besluttede at kombinere deres indsats og deres ekspertise i én undersøgelse. "Jeg tror, ​​at det helt særlige ved UCSB er, at vi kan have sådan et miljø."

Siden papiret blev skrevet, de fleste af forskerne er gået ind i industrien:Daniel G. Ouelette og Benjamin Zaks, tidligere ved Institut for Fysik og Institut for Terahertz Videnskab og Teknologi ved UCSB, arbejder nu hos Intel og Agilent, henholdsvis. Deres kollega Justin Watts, som var en bachelor-deltager, forfølger nu kandidatstudier ved University of Minnesota. Peter Burke, tidligere fra UCSB Materials Department, arbejder nu hos Lockheed Martin. Sascha Preu, en tidligere postdoc i Sherwin Group, er nu adjunkt ved det tekniske universitet i Darmstadt.

Forskere på campus undersøger også mulighederne for denne teknologi inden for termoelektrik, som studerer hvordan temperaturforskelle i et materiale kan skabe elektrisk spænding eller hvordan forskelle i elektriske spændinger i et materiale kan skabe temperaturforskelle. De anerkendte UCSB-forskere John Bowers (solid state photonics) og Christopher Palmstrom (hetereroepitaxial vækst af nye materialer) undersøger potentialet i denne nye halvleder.