Enkelt molekylært lag og tynd siliciumstråle muliggør nanolaserdrift ved stuetemperatur

For første gang, forskere har bygget en nanolaser, der kun bruger et enkelt molekylært lag, placeret på en tynd siliciumstråle, som fungerer ved stuetemperatur. Den nye enhed, udviklet af et team af forskere fra Arizona State University og Tsinghua University, Beijing, Kina, potentielt kunne bruges til at sende information mellem forskellige punkter på en enkelt computerchip. Laserne kan også være nyttige til andre registreringsapplikationer i en kompakt, integreret format.

"Dette er den første demonstration af stuetemperaturdrift af en nanolaser lavet af enkeltlagsmateriale, " sagde Cun-Zheng Ning, en ASU elektroingeniør professor, der ledede forskerholdet. Detaljer om den nye laser er offentliggjort i juli online-udgaven af Natur nanoteknologi .

Ud over Ning, nøgleforfattere til artiklen, "Kontinuerlig bølgelasing i rumtemperatur fra monolag molybdæn ditellurid integreret med et silicium nanostrålehulrum, " omfatter Yongzhuo Li, Jianxing Zhang, Dandan Huang fra Tsinghua University.

Ning sagde, at det afgørende for den nye udvikling er brugen af ​​materialer, der kan lægges ned i enkeltlag og effektivt forstærke lyset (laservirkning). Enkeltlags nanolasere er blevet udviklet før, men de skulle alle afkøles til lave temperaturer ved hjælp af et kryogen som flydende nitrogen eller flydende helium. At være i stand til at fungere ved stuetemperaturer (~77 F) åbner op for mange muligheder for brug af disse nye lasere, " sagde Ning.

Det fælles ASU-Tsinghua-forskerhold brugte et monolag af molybdænditellurid integreret med et siliciumnanostrålehulrum til deres enhed. Ved at kombinere molybdæn ditellurid med silicium, som er grundfjeldet i halvlederfremstilling og et af de bedste bølgeledermaterialer, forskerne var i stand til at opnå laservirkning uden afkøling, sagde Ning.

En laser har brug for to nøgledele - et forstærkningsmedium, der producerer og forstærker fotoner, og et hulrum, der begrænser eller fanger fotoner. Mens sådanne materialevalg er lette for store lasere, de bliver sværere ved nanometerskalaer for nanolasere. Nanolasere er mindre end 100. af tykkelsen af ​​menneskehår og forventes at spille vigtige roller i fremtidige computerchips og en række forskellige lysdetektions- og sensorenheder.

Valget af todimensionelle materialer og siliciumbølgelederen gjorde det muligt for forskerne at opnå stuetemperaturdrift. Excitoner i molybdæntellurid udsender i en bølgelængde, der er gennemsigtig for silicium, gør silicium muligt som bølgeleder eller hulrumsmateriale. Præcis fremstilling af nanostrålehulrummet med en række ætsede huller og integrationen af ​​todimensionelle monolagsmaterialer var også nøglen til projektet. Excitoner i sådanne monolagsmaterialer er 100 gange stærkere end dem i konventionelle halvledere, tillader effektiv lysudsendelse ved stuetemperatur.

Fordi silicium allerede bruges i elektronik, især i computerchips, dets brug i denne applikation er betydelig i fremtidige applikationer.

"En laserteknologi, der også kan laves på silicium, har været en drøm for forskere i årtier, " sagde Ning. "Denne teknologi vil i sidste ende give folk mulighed for at placere både elektronik og fotonik på den samme siliciumplatform, i høj grad forenkle fremstillingen."

Silicium udsender ikke lys effektivt og skal derfor kombineres med andre lysudsendende materialer. I øjeblikket, der anvendes andre halvledere, såsom Indium phosphide eller Indium Garlium Arsenide, som er hundredvis af gange tykkere, at binde med silicium til sådanne applikationer.

De nye monolagsmaterialer kombineret med silicium eliminerer de udfordringer, man støder på, når man kombinerer med tykkere, uens materialer. Og, fordi dette ikke-silicium materiale kun er et enkelt lag tykt, den er fleksibel og mindre tilbøjelig til at revne under stress, ifølge Ning.

Ser frem til, holdet arbejder på at forsyne deres laser med elektrisk spænding for at gøre systemet mere kompakt og nemt at bruge, især til dets tilsigtede brug på computerchips.