Van zonnecellen tot opto-elektronische sensoren tot lasers en beeldapparatuur, veel van de huidige halfgeleidertechnologieën hangen af ​​van de absorptie van licht. Absorptie is vooral van cruciaal belang voor structuren van nanoformaat op het grensvlak tussen twee energiebarrières, kwantumputten genaamd. waarin de beweging van ladingsdragers beperkt is tot twee dimensies. Nutsvoorzieningen, Voor de eerste keer, een eenvoudige wet van lichtabsorptie voor 2D-halfgeleiders is aangetoond.

Werken met ultradunne membranen van de halfgeleider indiumarsenide, een team van onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) heeft een kwantumeenheid voor fotonabsorptie ontdekt, die ze "A ." hebben genoemd _Q , " dat zou algemeen moeten zijn voor alle 2D-halfgeleiders, waaronder samengestelde halfgeleiders van de III-V-familie die de voorkeur hebben voor zonnefilms en opto-elektronische apparaten. Deze ontdekking geeft niet alleen nieuw inzicht in de optische eigenschappen van 2D-halfgeleiders en kwantumbronnen, het moet ook deuren openen naar exotische nieuwe opto-elektronische en fotonische technologieën.

"We gebruikten vrijstaande indiumarsenidemembranen tot drie nanometer dik als een modelmateriaalsysteem om de absorptie-eigenschappen van 2D-halfgeleiders nauwkeurig te onderzoeken als een functie van membraandikte en elektronenbandstructuur, " zegt Ali Javey, een faculteitswetenschapper in de Materials Sciences Division van Berkeley Lab en een professor in elektrotechniek en computerwetenschappen aan de University of California (UC) Berkeley. "We ontdekten dat de grootte van de stapsgewijze absorptie in deze materialen onafhankelijk is van de dikte en de details van de bandstructuur."

Javey is een van de twee corresponderende auteurs van een paper waarin dit onderzoek in de Proceedings van de National Academy of Sciences ( PNAS ). Het artikel is getiteld "Quantum of optische absorptie in tweedimensionale halfgeleiders." Eli Jablonovitch, een elektrotechnisch ingenieur die ook gezamenlijke afspraken heeft met Berkeley Lab en UC Berkeley, is de andere corresponderende auteur.

Eerder werk heeft aangetoond dat grafeen, een tweedimensionale plaat van koolstof, heeft een universele waarde van lichtabsorptie. Javey, Yablonovitch en hun collega's hebben nu ontdekt dat een vergelijkbare algemene wet van toepassing is op alle 2D-halfgeleiders. Deze ontdekking werd mogelijk gemaakt door een uniek proces dat Javey en zijn onderzoeksgroep hebben ontwikkeld waarbij dunne films van indiumarsenide worden overgebracht op een optisch transparant substraat, in dit geval calciumfluoride.

"Dit leverde ons ultradunne membranen van indiumarsenide op, slechts een paar eenheidscellen in dikte, die licht absorberen op een ondergrond die geen licht absorbeerde, " zegt Javey. "We waren toen in staat om de optische absorptie-eigenschappen te onderzoeken van membranen die in dikte varieerden van drie tot 19 nanometer als een functie van bandstructuur en dikte."

Met behulp van de Fourier-transformatie-infraroodspectroscopie (FTIR) -mogelijkheden van Beamline 1.4.3 bij Berkeley Lab's Advanced Light Source, een DOE nationale gebruikersfaciliteit, Javey, Yablonovitch en hun co-auteurs maten de grootte van de lichtabsorptie in de overgang van de ene elektronische band naar de volgende bij kamertemperatuur. Ze observeerden een discrete stapsgewijze toename bij elke overgang van indiumarsenidemembranen met een A _Q waarde van ongeveer 1,7 procent per stap.

"Deze absorptiewet lijkt universeel te zijn voor alle 2D-halfgeleidersystemen, " zegt Yablonovitch. "Onze resultaten dragen bij aan het basisbegrip van elektron-foton-interacties onder sterke kwantumopsluiting en bieden een uniek inzicht in het gebruik van 2D-halfgeleiders voor nieuwe fotonische en opto-elektronische toepassingen."