Met behulp van geavanceerde fabricagetechnieken, ingenieurs van de Universiteit van Californië in San Diego hebben een apparaat met nanogrootte gebouwd van zilveren kristallen die licht kunnen genereren door elektronen efficiënt door een kleine barrière te "tunnelen". Het werk brengt plasmonisch onderzoek een stap dichter bij het realiseren van ultracompacte lichtbronnen voor high-speed, optische gegevensverwerking en andere toepassingen op de chip.

Het werk is op 23 juli gepubliceerd in Natuurfotonica .

Het apparaat zendt licht uit door een kwantummechanisch fenomeen dat bekend staat als inelastische elektronentunneling. In dit proces, elektronen bewegen door een solide barrière die ze klassiek niet kunnen passeren. En tijdens het oversteken, de elektronen verliezen een deel van hun energie, het creëren van ofwel fotonen of fononen in het proces.

Plasmonics-onderzoekers zijn geïnteresseerd in het gebruik van inelastische elektronentunneling om extreem kleine lichtbronnen met een grote modulatiebandbreedte te creëren. Echter, omdat slechts een klein deel van de elektronen inelastisch kan tunnelen, de efficiëntie van lichtemissie is doorgaans laag - in de orde van enkele honderdsten van een procent, hoogstens.

De ingenieurs van UC San Diego hebben een apparaat gemaakt dat die efficiëntie opdrijft tot ongeveer twee procent. Hoewel dit nog niet hoog genoeg is voor praktisch gebruik, het is de eerste stap naar een nieuw type lichtbron, zei Zhaowei Liu, een professor in elektrische en computertechniek aan de UC San Diego Jacobs School of Engineering.

"We onderzoeken een nieuwe manier om licht te genereren, " zei Liu.

Liu's team ontwierp het nieuwe lichtgevende apparaat met behulp van computermethoden en numerieke simulaties. Onderzoekers in het lab van Andrea Tao, een professor in nano-engineering aan de UC San Diego Jacobs School of Engineering, bouwde vervolgens het apparaat met behulp van geavanceerde, op oplossingen gebaseerde chemietechnieken.

Het apparaat is een kleine vlinderdasvormige plasmonische nanostructuur die bestaat uit twee kubusvormige, enkele kristallen van zilver verbonden op een hoek. Het verbinden van de hoeken is een 1,5 nanometer brede barrière van isolator gemaakt van een polymeer genaamd polyvinylpyrrolidon (PVP).

Deze kleine metaal-isolator-metaal (zilver-PVP-zilver) kruising is waar de actie plaatsvindt. Elektroden die op de nanokristallen zijn aangesloten, zorgen ervoor dat er spanning op het apparaat kan worden gezet. Terwijl elektronen vanuit een hoek van een zilveren nanokristal door de kleine PVP-barrière tunnelen, ze brengen energie over naar oppervlakteplasmonpolaritonen - elektromagnetische golven die langs de metaal-isolator-interface reizen - die die energie vervolgens omzetten in fotonen.

Maar wat deze specifieke junctie efficiënter maakt bij het inelastisch tunnelen van elektronen, is de geometrie en extreem kleine omvang. Door twee zilveren eenkristallen samen te voegen op hun hoeken met een kleine isolatorbarrière ertussen, onderzoekers creëerden in wezen een optische antenne van hoge kwaliteit met een hoge lokale dichtheid van optische toestanden, wat resulteert in een efficiëntere omzetting van elektronische energie in licht.

Metaal-isolator-metaalovergangen hebben in het verleden zo'n lage lichtemissie-efficiëntie gehad omdat ze werden geconstrueerd door metaalkristallen langs een heel vlak samen te voegen, in plaats van een hoek, legde Liu uit. Door elektronen een optische antenne van hoge kwaliteit te geven met een veel kleinere opening om doorheen te tunnelen, is een efficiënte lichtemissie mogelijk, en dit soort structuur was moeilijk te fabriceren met in het verleden gebruikte nanolithografiemethoden, hij zei.

"Met behulp van chemie, we kunnen deze precieze knooppunten van nanogrootte bouwen die een efficiëntere lichtemissie mogelijk maken, " zei Tao. "De fabricagetechnieken die we gebruiken, geven ons controle op atomair niveau van onze materialen - we kunnen de grootte en vorm van kristallen in oplossing dicteren op basis van de reagentia die we gebruiken, en we kunnen structuren maken met atomair platte vlakken en extreem scherpe hoeken."

Met extra werk, het team wil de efficiëntie nog een orde van grootte hoger verhogen. Ze onderzoeken verschillende geometrieën en materialen voor toekomstige studies.