Chips die licht gebruiken, in plaats van elektriciteit, het verplaatsen van gegevens zou veel minder stroom verbruiken - en energie-efficiëntie is een groeiend probleem naarmate het aantal transistors van chips toeneemt.

Van de drie belangrijkste componenten van optische circuits:lichtzenders, modulatoren, en detectoren - emitters zijn het moeilijkst te bouwen. Een veelbelovende lichtbron voor optische chips is molybdeendisulfide (MoS ₂ ), die uitstekende optische eigenschappen heeft wanneer ze als een enkele worden gedeponeerd, atoomdikke laag. Andere experimentele on-chip lichtzenders hebben complexere driedimensionale geometrieën en gebruiken zeldzamere materialen, waardoor ze moeilijker en duurder te vervaardigen zouden zijn.

In het volgende nummer van het tijdschrift Nano-letters , onderzoekers van de afdelingen Natuurkunde en Elektrotechniek en Computer van het MIT Wetenschap zal een nieuwe techniek beschrijven voor het bouwen van MoS ₂ lichtzenders afgestemd op verschillende frequenties, een essentiële vereiste voor opto-elektronische chips. Omdat dunne films van materiaal ook op plastic platen kunnen worden aangebracht, hetzelfde werk zou kunnen wijzen op dun, flexibel, Helder, kleuren displays.

De onderzoekers geven ook een theoretische karakterisering van de fysieke verschijnselen die de afstembaarheid van de zenders verklaren, die zouden kunnen helpen bij het zoeken naar nog betere kandidaat-materialen. Molybdeen is een van de verschillende elementen, geclusterd op het periodiek systeem, zogenaamde overgangsmetalen. "Er is een hele familie van overgangsmetalen, " zegt Instituutshoogleraar Emeritus Mildred Dresselhaus, de corresponderende auteur op het nieuwe artikel. "Als je het in één vindt, dan geeft het je een stimulans om er met het hele gezin naar te kijken."

Naast Dresselhaus op het papier zijn gezamenlijke eerste auteurs Shengxi Huang, een afgestudeerde student elektrotechniek en informatica, en Xi Ling, een postdoc in het Research Laboratory of Electronics; universitair hoofddocent elektrotechniek en informatica Jing Kong; en Liangbo Liang, Humberto Terrones, en Vincent Meunier van het Rensselaer Polytechnisch Instituut.

Monolaag - met een twist

De meeste optische communicatiesystemen, zoals de glasvezelnetwerken die veel mensen internet- en tv-service bieden, maximaliseren de bandbreedte door verschillende gegevens op verschillende optische frequenties te coderen. Afstembaarheid is dus cruciaal om het volledige potentieel van opto-elektronische chips te realiseren.

De MIT-onderzoekers stemden hun emitters af door twee lagen MoS . af te zetten ₂ op een siliciumsubstraat. De bovenste lagen werden geroteerd ten opzichte van de onderste lagen, en de mate van rotatie bepaalde de golflengte van het uitgezonden licht.

Gewoonlijk, MoS ₂ is alleen in monolagen een goede lichtzender, of atoomdikke platen. Zoals Huang uitlegt, dat komt omdat de tweedimensionale structuur van het vel de elektronen in een baan om de MoS . opsluit ₂ moleculen naar een beperkt aantal energietoestanden.

MoS ₂ , zoals alle lichtemitterende halfgeleiders, is wat een direct-band-gap-materiaal wordt genoemd. Wanneer er energie aan het materiaal wordt toegevoegd, hetzij door een laser "pomp" of als een elektrische stroom, het schopt sommige van de elektronen die rond de moleculen cirkelen in hogere energietoestanden. Wanneer de elektronen terugvallen in hun oorspronkelijke staat, ze zenden hun overtollige energie uit als licht.

In een monolaag van MoS ₂ , de geëxciteerde elektronen kunnen niet ontsnappen uit het vlak dat wordt gedefinieerd door het kristalrooster van het materiaal:vanwege de geometrie van het kristal, de enige energietoestanden die voor hen beschikbaar zijn om in te springen, overschrijden de lichtemitterende drempel. Maar in meerlaagse MoS ₂ , de aangrenzende lagen bieden lagere energietoestanden, onder de drempel, en een aangeslagen elektron zal altijd de laagste energie zoeken die het kan vinden.

Let op de kloof

Dus terwijl de onderzoekers wisten dat het roteren van de lagen van MoS ₂ moet de golflengte van het uitgestraalde licht veranderen, ze waren er geenszins zeker van dat het licht intens genoeg zou zijn voor gebruik in opto-elektronica. Zoals het blijkt, echter, de rotatie van de lagen ten opzichte van elkaar verandert de kristalgeometrie voldoende om de bandafstand te behouden. Het uitgestraalde licht is niet zo intens als dat van een monolaag van MoS ₂ , maar het is zeker intens genoeg voor praktisch gebruik - en aanzienlijk intenser dan dat geproduceerd door de meeste rivaliserende technologieën.

De onderzoekers waren in staat om de relatie tussen de geometrieën van de geroteerde lagen en de golflengte en intensiteit van het uitgestraalde licht nauwkeurig te karakteriseren. "Voor verschillende gedraaide hoeken, de feitelijke scheiding tussen de twee lagen is anders, dus de koppeling tussen de twee lagen is anders, Huang legt uit. "Dit verstoort de elektronendichtheden in het dubbellaagssysteem, waardoor je een andere fotoluminescentie krijgt." Die theoretische karakterisering zou het veel gemakkelijker moeten maken om te voorspellen of andere overgangsmetaalverbindingen een vergelijkbare lichtemissie zullen vertonen.

"Dit ding is echt iets nieuws, " zegt Fengnian Xia, een assistent-professor elektrotechniek aan de Yale University. "Het geeft je een nieuw model voor tuning."

"Ik had verwacht dat dit soort hoekaanpassing zou werken, maar ik had niet verwacht dat het effect zo groot zou zijn, "Xia voegt eraan toe. "Ze krijgen een behoorlijk belangrijke afstemming. Dat is een beetje verrassend."

Xia believes that compounds made from other transition metals, such as tungsten disulfide or tungsten diselenide, could ultimately prove more practical than MoS ₂ . But he agrees that the MIT and RPI researchers' theoretical framework could help guide future work. "They use density-functional theory, " he says. "That's a kind of general theory that can be applied to other materials also."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.