En lovende lyskilde til optoelektroniske chips kan indstilles til forskellige frekvenser

Chips, der bruger lys, frem for elektricitet, at flytte data ville forbruge meget mindre strøm - og energieffektivitet er en voksende bekymring, da chips 'transistortællinger stiger.

Af de tre hovedkomponenter i optiske kredsløb - lysemittere, modulatorer, og detektorer - emittere er de hårdeste at bygge. En lovende lyskilde til optiske chips er molybdendisulfid (MoS ₂ ), som har fremragende optiske egenskaber, når de aflejres som en enkelt, atom-tykt lag. Andre eksperimentelle lysemittere på chip har mere komplekse tredimensionelle geometrier og bruger sjældnere materialer, hvilket ville gøre dem vanskeligere og dyrere at fremstille.

I næste nummer af tidsskriftet Nano bogstaver , forskere fra MIT's afdelinger for fysik og elektroteknik og computer Videnskab vil beskrive en ny teknik til opbygning af MoS ₂ lysemittere indstillet til forskellige frekvenser, et vigtigt krav for optoelektroniske chips. Da tynde filmmaterialer også kan mønstres på plastplader, det samme arbejde kunne pege mod tyndt, fleksibel, lyse, farvedisplay.

Forskerne giver også en teoretisk karakterisering af de fysiske fænomener, der forklarer udsendernes afstemning, hvilket kunne hjælpe med at søge efter endnu bedre kandidatmaterialer. Molybdæn er et af flere elementer, samlet i det periodiske system, kendt som overgangsmetaller. "Der er en hel familie af overgangsmetaller, "siger institutprofessor emeritus Mildred Dresselhaus, den tilsvarende forfatter på det nye papir. "Hvis du finder det i en, så giver det dig et incitament til at se på det i hele familien. "

Sammen med Dresselhaus på papiret er fælles første forfattere Shengxi Huang, en kandidatstuderende i elektroteknik og datalogi, og Xi Ling, en postdoc i forskningslaboratoriet i elektronik; lektor i elektroteknik og datalogi Jing Kong; og Liangbo Liang, Humberto Terrones, og Vincent Meunier fra Rensselaer Polytechnic Institute.

Monolag - med et twist

De fleste optiske kommunikationssystemer-f.eks. De fiberoptiske netværk, der giver mange mennesker internet- og tv-service-maksimerer båndbredden ved at kode forskellige data ved forskellige optiske frekvenser. Så afstemning er afgørende for at realisere det fulde potentiale ved optoelektroniske chips.

MIT -forskerne indstillede deres emittere ved at deponere to lag MoS ₂ på et siliciumsubstrat. De øverste lag blev roteret i forhold til de nederste lag, og rotationsgraden bestemte bølgelængden af ​​det udsendte lys.

Normalt, MoS ₂ er kun en god lysemitter i monolag, eller atom-tykke plader. Som Huang forklarer, det er fordi arkets todimensionelle struktur begrænser elektronerne, der kredser MoS ₂ molekyler til et begrænset antal energitilstande.

MoS ₂ , ligesom alle lysemitterende halvledere, er det, der kaldes et direkte båndgabemateriale. Når der tilføres energi til materialet, enten med en laser "pumpe" eller som en elektrisk strøm, det sparker nogle af elektronerne i kredsløb om molekylerne i højere energitilstande. Når elektronerne falder tilbage til deres oprindelige tilstand, de udsender deres overskydende energi som lys.

I et monolag af MoS ₂ , de ophidsede elektroner kan ikke undslippe det plan, der er defineret af materialets krystalgitter:På grund af krystalets geometri, de eneste energistater, der er til rådighed for dem til at springe over krydset den lysemitterende tærskel. Men i flerlags MoS ₂ , de tilstødende lag tilbyder tilstander med lavere energi, under tærsklen, og en ophidset elektron vil altid søge den laveste energi, den kan finde.

Pas på Mellemrummet

Så mens forskerne vidste, at det drejede lagene af MoS ₂ skulle ændre bølgelængden af ​​det udsendte lys, de var på ingen måde sikre på, at lyset ville være intenst nok til brug i optoelektronik. Det viser sig, imidlertid, lagernes rotation i forhold til hinanden ændrer krystalgeometrien nok til at bevare båndgabet. Det udsendte lys er ikke helt så intenst som det, der produceres af et monolag af MoS ₂ , men den er bestemt intens nok til praktisk brug - og betydeligt mere intens end den, der produceres af de fleste rivaliserende teknologier.

Forskerne var i stand til præcist at karakterisere forholdet mellem geometrier i de roterede lag og bølgelængden og intensiteten af ​​det udsendte lys. "For forskellige snoede vinkler, den faktiske adskillelse mellem de to lag er anderledes, så koblingen mellem de to lag er forskellig, "Huang forklarer." Dette forstyrrer elektrontæthederne i dobbeltlaget, som giver dig en anden fotoluminescens. "Den teoretiske karakterisering skulle gøre det meget lettere at forudsige, om andre overgangsmetalforbindelser vil vise lignende lysemission.

"Denne ting er noget virkelig nyt, "siger Fengnian Xia, en assisterende professor i elektroteknik ved Yale University. "Det giver dig en ny model til tuning."

"Jeg forventede, at denne form for vinkeljustering ville fungere, men jeg forventede ikke, at effekten ville være så stor, "Tilføjer Xia." De får en ganske betydelig indstilling. That's a little bit surprising."

Xia believes that compounds made from other transition metals, such as tungsten disulfide or tungsten diselenide, could ultimately prove more practical than MoS ₂ . But he agrees that the MIT and RPI researchers' theoretical framework could help guide future work. "They use density-functional theory, " he says. "That's a kind of general theory that can be applied to other materials also."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.