Nanokrystaller udsender lys ved effektivt at tunnelere elektroner

Ved hjælp af avancerede fremstillingsteknikker, ingeniører ved University of California San Diego har bygget en enhed i nanostørrelse ud af sølvkrystaller, der kan generere lys ved effektivt at "tunnele" elektroner gennem en lille barriere. Arbejdet bringer plasmonikforskning et skridt tættere på at realisere ultrakompakte lyskilder til højhastigheds-, optisk databehandling og andre on-chip applikationer.

Værket udkommer 23. juli i Naturfotonik .

Enheden udsender lys af et kvantemekanisk fænomen kendt som uelastisk elektrontunneling. I denne proces, elektroner bevæger sig gennem en solid barriere, som de ikke klassisk kan krydse. Og mens du krydser, elektronerne mister noget af deres energi, skabe enten fotoner eller fononer i processen.

Plasmonikforskere har været interesseret i at bruge uelastisk elektrontunneling til at skabe ekstremt små lyskilder med stor moduleringsbåndbredde. Imidlertid, fordi kun en lille brøkdel af elektroner kan tunnelere uelastisk, effektiviteten af ​​lysemission er typisk lav - i størrelsesordenen nogle få hundrededele af en procent, højst.

UC San Diego-ingeniører skabte en enhed, der øger effektiviteten op til cirka to procent. Selvom dette endnu ikke er højt nok til praktisk brug, det er det første skridt til en ny type lyskilde, sagde Zhaowei Liu, en professor i elektro- og computerteknik ved UC San Diego Jacobs School of Engineering.

"Vi udforsker en ny måde at generere lys på, " sagde Liu.

Lius team designede den nye lysemitterende enhed ved hjælp af beregningsmetoder og numeriske simuleringer. Forskere i laboratoriet hos Andrea Tao, en professor i nanoingeniør ved UC San Diego Jacobs School of Engineering, konstruerede derefter enheden ved hjælp af avancerede løsningsbaserede kemiteknikker.

Enheden er en lille sløjfe-formet plasmonisk nanostruktur bestående af to kubiske, enkelt krystaller af sølv sammenføjet i det ene hjørne. Forbinder hjørnerne er en 1,5 nanometer bred barriere af isolator lavet af en polymer kaldet polyvinylpyrrolidon (PVP).

Denne lille metal-isolator-metal (sølv-PVP-sølv) forbindelse er der, hvor handlingen finder sted. Elektroder forbundet til nanokrystallerne gør det muligt at påføre spænding på enheden. Mens elektroner går fra et hjørne af en sølv nanokrystal gennem den lille PVP-barriere, de overfører energi til overfladeplasmonpolaritoner - elektromagnetiske bølger, der bevæger sig langs metal-isolatorgrænsefladen - som derefter omdanner denne energi til fotoner.

Men det, der gør dette særlige kryds mere effektivt til at tunnelere elektroner uelastisk, er dets geometri og ekstremt lille størrelse. Ved at forbinde to sølvenkeltkrystaller sammen i deres hjørner med en lille barriere af isolator imellem, forskere skabte i det væsentlige en optisk antenne af høj kvalitet med en høj lokal tæthed af optiske tilstande, resulterer i mere effektiv konvertering af elektronisk energi til lys.

Metal-isolator-metal-forbindelser har tidligere haft så lav lysemissionseffektivitet, fordi de blev konstrueret ved at forbinde metalkrystaller langs en hel flade, snarere end et hjørne, forklarede Liu. At give elektroner en optisk antenne af høj kvalitet med et meget mindre mellemrum til at tunnelere igennem muliggør effektiv lysemission, og denne form for struktur har været vanskelig at fremstille med nanolitografi-metoder, der tidligere blev brugt, han sagde.

"Ved brug af kemi, vi kan bygge disse præcise knudepunkter i nanostørrelse, der tillader mere effektiv lysemission, " sagde Tao. "De fremstillingsteknikker, vi bruger, giver os atomniveaukontrol af vores materialer - vi kan diktere størrelsen og formen af ​​krystaller i opløsning baseret på de reagenser, vi bruger, og vi kan skabe strukturer, der har atomisk flade flader og ekstremt skarpe hjørner."

Med ekstra arbejde, holdet sigter mod yderligere at øge effektiviteten endnu en størrelsesorden højere. De udforsker forskellige geometrier og materialer til fremtidige studier.