Hviskegalleritilstande i siliciumnanokegler intensiverer luminescensen

Silicium, et halvledende materiale, afslører nye talenter, når de reduceres til nanoskopiske dimensioner. Et fælles hold ved HZB Institute of Nanoarchitectures for Energy Conversion og Max Planck Institute for the Science of Light (MPL) har demonstreret dette. Siliciumnanokoner genererer 200 gange så meget infrarød luminescens som nanosøjler af sammenlignelig størrelse, når de exciteres af synligt lys. Modellering og eksperimentelle resultater viser, at på grund af deres geometri, kegler er i stand til at opretholde det, der omtales som hviskende galleritilstande ved infrarøde bølgelængder, som kan intensivere siliciumluminescensen. Nye applikationer er tænkelige, herunder siliciumbaserede nanolasere.

Silicium er et konventionelt materiale til computerchips og solceller. Imidlertid, selvom siliciums egenskaber er velkendte, nanostrukturer byder stadig på overraskelser. Et team ledet af prof. Silke Christiansen ved HZB Institute of Nanoarchitectures for Energy Conversion sammen med Max Planck Institute for the Science of Light (MPL) har for første gang vist, hvordan lys opfører sig i en siliciumnanokegle. Deres numeriske simuleringer og eksperimenter viser nu, hvorfor denne tilspidsede geometri er i stand til at udsende optisk exciteret luminescens meget bedre end sammenlignelige størrelser af nanokolonner. "Keglerne fungerer som rækker af små hviskende gallerier - ikke for lyd, men snarere for lys", forklarer Sebastian Schmitt, første forfatter.

Stærk luminescens i nanokegler

Schmitt og hans kollega George Sarau bestrålede individuelle siliciumnanokolonner og nanokegler ved hjælp af rødt laserlys (660 nanometer) og målte den stråling, der efterfølgende blev udsendt som luminescens af prøven. Det er kendt, at luminescens i silicium (uden nogen nanostrukturering) normalt er meget lav, fordi exciterede elektroner næppe rekombinerer radiativt i dette materiale (indirekte båndgab). I modsætning, nanostrukturerne omdanner en meget større del af det indfaldende lys til elektromagnetisk stråling i det nær-infrarøde område. Denne effekt i nanokegler er 200 gange stærkere end i nanokolonner. "Dette er den højeste luminescensforstærkning nogensinde målt i en siliciumstruktur", siger Schmitt.

Hviskende galleritilstande

Holdet kan også forklare, hvorfor dette er. Udbredelsen af ​​elektromagnetiske bølger i forskellige geometrier af silicium nanotråde kan beregnes ved hjælp af numerisk modellering. Fordi nanokeglens diameter ændres med højden, der er flere niveauer, hvor det infrarøde lys er konstruktivt overlejret for at danne stående bølger. Denne forstærkning letter øget excitation af elektroner og dermed frigivelsen af ​​luminescens. Dette fænomen er kendt som Purcell-effekten i marken. Hvis en lyskilde er placeret i en optisk resonator, den spontane udsendelse af lys stiger. Nanokeglerne fungerer som fremragende resonatorer, som optiske hviskegallerier for lys.

Designregler for nye enheder

"Disse typer nanostrukturer lavet af individuelle kegler er ikke svære at fremstille", forklarer Schmitt. De ville let kunne integreres som nye komponenter i fremherskende CMOS-halvlederfremstillingsteknikker, der bruges til dioder, optoelektroniske kontakter, og optiske sensorer, for eksempel. Disse strukturer kunne endda producere laserlys i forbindelse med et passende optisk aktivt medium, antager fysikeren. "Vi kan udlede simple designregler for halvledernanostrukturer med denne form for viden til at udøve kontrol over antallet og bølgelængder af hostede tilstande og derved kontrollere luminescensen", siger Christiansen.