Direktivitet for at forbedre optiske enheder

Et team af forskere fra det hollandske institut AMOLF, Western University (Canada), og University of Texas (USA) demonstrerede for nylig brugen af ​​algoritmisk design til at skabe en ny type nanofotonisk struktur. Dette er gode nyheder for forskere inden for optisk kvanteberegning og fotovoltaik, fordi strukturen i høj grad forbedrer retningsevnen af ​​nanoskala-emittere (i lysdioder, eller enkeltfotonkilder) og absorbere (i solceller eller fotodetektorer). Forskerne publicerede deres resultater i Naturkommunikation den 9. november, 2018.

Direktivitet beskriver forholdet mellem lysemission i én bestemt retning og totalen over alle andre retninger. Det er ofte nyttigt for emittere at have høj direktivitet, så alle de fotoner, der er skabt af en nanoskalakilde, kan indsamles andre steder. Dette er især værdifuldt i optiske kvanteberegningsapplikationer, hvor indsamlingen fra enkeltfotonemittere viser sig at være udfordrende.

Desuden, forbedring af retningsbestemmelsen er også gavnlig for fotovoltaiske enheder i nanoskala; at koble det aktive absorbermateriale i solceller udelukkende til solen kan forbedre fotospændingen markant. Dette kan forstås gennem en analogi - når man opvarmer et materiale med sollys, det bliver varmere, når det kun udveksler energi med solen, og ikke med det relativt koldere omgivende miljø.

Direktivitet på nanoskala

Mens retningsbestemmelse er en yderst fordelagtig egenskab for emittere og absorbere, at øge den for enheder i nanoskala kan være udfordrende. Ved så små længdeskalaer, lys opfører sig både som en partikel og en bølge, komplicerer design af strukturer med sub-bølgelængdetræk til det punkt, at intuitionen af ​​ydeevnen af ​​et optisk element er ekstremt begrænset. Design af strukturer ved hjælp af algoritmer løser dette, giver fuldbølge optiske simuleringer mulighed for fuldt ud at diktere geometrien af ​​det nanofotoniske objekt. Forskerholdet brugte en evolutionær algoritme, at skabe flere generationer af strukturer med stigende ydeevne. Dette resulterede i retningsvirkningsværdier, der oversteg værdierne for klassiske strukturer såsom sfæriske linser med mere end en faktor tre.

For at demonstrere gennemførligheden af ​​disse strukturer, en proof of concept-enhed blev eksperimentelt fremstillet. Denne enhed involverede udskrivning af en nanolens struktur oven på en galliumarsenid nanotråd ved hjælp af en femtosekund pulseret laserteknik. Sådanne GaAs nanotråde blev brugt for deres relevans i fotovoltaiske enheder, samtidig med at de giver et praktisk testsystem på grund af deres høje kvanteeffektivitet (antal fotoner ud pr. foton ind).

Mens nanolenserne dramatisk forbedrede retningsvirkningen af ​​nanotrådemitterne, den observerede ydeevne var stadig mindre end det beregningsmæssige design havde forudsagt. Imidlertid, ved at inkludere en lille forskydning mellem midten af ​​emissionen og midten af ​​linsen, nye simuleringer var i stand til at gengive den observerede adfærd. Denne forskydning fandt sandsynligvis sted i de eksperimentelle prøver, da nanotrådene udsender primært fra et lille område nær en af ​​deres ender (svarende til positionen af ​​den interne diodeforbindelse i ledningen). Vanskeligheden ved at tilpasse sig denne emitterende placering viste sig at være den største enkeltstående begrænsning i den observerede ydeevne, efterfulgt af det faktum, at denne emission stadig var fra et begrænset område (ikke et enkelt punkt, som antaget i designsimuleringerne). Dette indikerer, at flytning til mere afgrænsede emitter- eller absorberstrukturer let kunne løse begge disse kilder til nedsat ydeevne, og tilbyde endnu mere retningsgivende adfærd uden at skulle ændre linsen eller fabrikationsteknikker.