In een prestatie die een veelbelovende reeks toepassingen kan opleveren, van energie-efficiëntie tot telecommunicatie tot verbeterde beeldvorming, onderzoekers van UC Santa Barbara hebben een samengestelde halfgeleider gemaakt van bijna perfecte kwaliteit met ingebedde nanostructuren die geordende lijnen van atomen bevatten die lichtenergie in het midden-infraroodbereik kunnen manipuleren. Efficiëntere zonnecellen, minder risicovolle en hogere resolutie biologische beeldvorming, en de mogelijkheid om enorme hoeveelheden gegevens met hogere snelheden te verzenden, zijn slechts enkele toepassingen die deze unieke halfgeleider kan ondersteunen.

"Dit is een nieuw en opwindend veld, " zei Hong Lu, onderzoeker in de materiaalafdeling van UCSB en hoofdauteur van een recentelijk in het tijdschrift gepubliceerde studie Nano-letters , een publicatie van de American Chemical Society.

De sleutel tot deze technologie is het gebruik van erbium, een zeldzaam aardmetaal dat het vermogen heeft om licht te absorberen in zowel de zichtbare als de infrarode golflengte - wat een langere en lagere frequentiegolflengte is waaraan het menselijk oog gewend is - en dat al jaren wordt gebruikt om de prestaties van silicium bij de productie te verbeteren van glasvezel. Erbium koppelen met het element antimoon (Sb), de onderzoekers hebben de resulterende verbinding - erbiumantimonide (ErSb) - als halfmetalen nanostructuren ingebed in de halfgeleidende matrix van galliumantimonide (GaSb).

ErSb, volgens Lu, is een ideaal materiaal om te matchen met GaSb vanwege de structurele compatibiliteit met het omringende materiaal, waardoor de onderzoekers de nanostructuren konden inbedden zonder de atomaire roosterstructuur van de halfgeleidende matrix te onderbreken. Hoe minder gebrekkig de kristalroosterstructuur van een halfgeleider is, hoe betrouwbaarder en beter het apparaat zal zijn waarin het wordt gebruikt.

"De nanostructuren zijn coherent ingebed, zonder merkbare gebreken te introduceren, door het groeiproces door moleculaire bundelepitaxie, "zei Lu. "Ten tweede, wij kunnen de grootte controleren, de vorm en de oriëntatie van de nanostructuren." De term "epitaxie" verwijst naar een proces waarbij lagen materiaal atoom voor atoom worden afgezet, of molecuul voor molecuul, de een op de ander met een specifieke oriëntatie.

"Het is echt een nieuw soort heterostructuur, " zei Arthur Gossard, hoogleraar bij de afdeling Materialen en ook bij de afdeling Electrical and Computer Engineering. Hoewel er jarenlang onderzoek is gedaan naar halfgeleiders waarin verschillende materialen zijn verwerkt - een technologieprofessor van UCSB en Nobelprijswinnaar Herbert Kroemer pionierde - is een eenkristal heterogestructureerde halfgeleider/metaal een klasse apart.

Dankzij de nanostructuren kan de samengestelde halfgeleider een breder spectrum van licht absorberen vanwege een fenomeen dat oppervlakteplasmonresonantie wordt genoemd, zei Lu, en dat het effect potentiële toepassingen heeft in brede onderzoeksgebieden, zoals zonnecellen, medische toepassingen om kanker te bestrijden, en op het nieuwe gebied van plasmonica.

Optica en elektronica werken op enorm verschillende schaalniveaus, waarbij elektronenopsluiting mogelijk is in ruimtes die veel kleiner zijn dan lichtgolven. Daarom, het was een voortdurende uitdaging voor ingenieurs om een ​​circuit te creëren dat voordeel kan halen uit de snelheid en datacapaciteit van fotonen en de compactheid van elektronica voor informatieverwerking.

De veelgevraagde brug tussen optica en elektronica kan worden gevonden met deze samengestelde halfgeleider met behulp van oppervlakteplasmonen, elektronenoscillaties aan het oppervlak van een metaal dat door licht wordt geëxciteerd. Als het licht is (in dit geval infrarood) het oppervlak van deze halfgeleider raakt, elektronen in de nanostructuren beginnen te resoneren - dat wil zeggen, weg bewegen van hun evenwichtsposities en oscilleren met dezelfde frequentie als het infraroodlicht - waarbij de optische informatie behouden blijft, maar het verkleinen tot een schaal die compatibel zou zijn met elektronische apparaten.

Op het gebied van beeldvorming, ingebedde nanodraden van ErSb bieden een sterk breedbandpolarisatie-effect, volgens Lu, filteren en definiëren van beelden met infrarood en zelfs langere golflengte terahertz lichtsignaturen. Dit effect kan worden gebruikt om een ​​verscheidenheid aan materialen af ​​te beelden, inclusief het menselijk lichaam, zonder het risico van de hogere energieën die afkomstig zijn van röntgenstralen, bijvoorbeeld. Chemicaliën zoals die in explosieven en sommige illegale verdovende middelen worden aangetroffen, hebben unieke absorptiekenmerken in dit spectrumgebied. De onderzoekers hebben al patent aangevraagd op deze ingebedde nanodraden als breedbandige lichtpolarisator.

"Voor infraroodbeeldvorming, als je het kunt doen met controleerbare polarisaties, daar is informatie, ' zei Gossard.

Hoewel infrarood- en terahertz-golflengten veel bieden op het gebied van het soort informatie dat ze kunnen bieden, de ontwikkeling van instrumenten die hun frequentiebereik ten volle kunnen benutten, is nog in opkomst. Lu schrijft deze doorbraak toe aan het collaboratieve karakter van het onderzoek op de UCSB-campus, waardoor ze haar materiaalexpertise kon combineren met de vaardigheden van onderzoekers die gespecialiseerd zijn in infrarood- en terahertz-technologie.

"Het is hier geweldig, " zei ze. "We hebben in principe samengewerkt en al deze interessante eigenschappen en eigenschappen van het materiaal samen ontdekt."

"Een van de meest opwindende dingen voor mij is dat dit een 'grassroots'-samenwerking was, " zei Mark Sherwin, hoogleraar natuurkunde, directeur van het Instituut voor Terahertz Wetenschap en Technologie aan de UCSB, en een van de co-auteurs van het papier. Het idee voor de richting van het onderzoek kwam van de junior onderzoekers in de groep, hij zei, afgestudeerde studenten en studenten van verschillende laboratoria en onderzoeksgroepen die aan verschillende aspecten van het project werken, die allemaal besloten om hun inspanningen en hun expertise te bundelen in één onderzoek. "Ik denk dat wat echt speciaal is aan UCSB, is dat we zo'n omgeving kunnen hebben."

Sinds het schrijven van de krant, de meeste onderzoekers zijn de industrie ingegaan:Daniel G. Ouelette en Benjamin Zaks, voorheen van het Department of Physics en het Institute for Terahertz Science and Technology aan de UCSB, werk nu bij Intel en Agilent, respectievelijk. Hun collega Justin Watts, die een niet-gegradueerde deelnemer was, volgt nu een graduate studie aan de Universiteit van Minnesota. Peter Burke, voorheen van de UCSB Materials Department, werkt nu bij Lockheed Martin. Sascha Preu, een voormalig postdoc in de Sherwin Group, is nu assistent-professor aan de Technische Universiteit van Darmstadt.

Onderzoekers op de campus onderzoeken ook de mogelijkheden van deze technologie op het gebied van thermo-elektriciteit, die bestudeert hoe temperatuurverschillen van een materiaal elektrische spanning kunnen veroorzaken of hoe verschillen in elektrische spanningen in een materiaal temperatuurverschillen kunnen veroorzaken. Gerenommeerde UCSB-onderzoekers John Bowers (solid-state fotonica) en Christopher Palmstrom (heteroepitaxiale groei van nieuwe materialen) onderzoeken het potentieel van deze nieuwe halfgeleider.