Onderzoekers maken antenne voor lichtbronnen op nanoschaal met behulp van ongebruikelijke plaatsing van halfgeleidermateriaal

Het snel schakelen en moduleren van licht vormt onder meer de kern van moderne dataoverdracht, waarbij informatie in de vorm van gemoduleerde lichtstralen via glasvezelkabels wordt verzonden. Het is al enkele jaren mogelijk om lichtmodulatoren te miniaturiseren en in chips te integreren, maar de lichtbronnen zelf – light emitting diodes (LED’s) of lasers – vormen nog steeds een probleem voor ingenieurs.

Een team van onderzoekers aan de ETH Zürich onder leiding van prof. Lukas Novotny heeft samen met collega’s van EMPA in Dübendorf en van ICFO in Barcelona nu een nieuw mechanisme gevonden waarmee in de toekomst kleine maar efficiënte lichtbronnen kunnen worden geproduceerd. De resultaten van hun onderzoek zijn onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Natuur materialen.

Het onverwachte proberen

“Om dit te bereiken, moesten we eerst het onverwachte proberen”, zegt Novotny. Sinds enkele jaren werken hij en zijn collega’s aan miniatuurlichtbronnen die gebaseerd zijn op het tunneleffect. Tussen twee elektroden (in dit geval gemaakt van goud en grafeen) gescheiden door een isolerend materiaal, kunnen elektronen tunnelen volgens de regels van de kwantummechanica. Onder bepaalde omstandigheden – dat wil zeggen, als het tunnelproces inelastisch is, wat betekent dat de energie van de elektronen niet behouden blijft – kan er licht worden gecreëerd.

“Helaas is de opbrengst van die lichtbronnen nogal slecht omdat de stralingsemissie erg inefficiënt is”, legt postdoc Sotirios Papadopoulos uit. Dit emissieprobleem is bekend in andere gebieden van de technologie. In mobiele telefoons bijvoorbeeld zijn de chips die de microgolven creëren die nodig zijn voor transmissie slechts enkele millimeters groot.

De microgolven zelf hebben daarentegen een golflengte van zo’n 20 centimeter en zijn daarmee honderd keer groter dan de chip. Om dit verschil in grootte te overbruggen is een antenne nodig (die bij moderne telefoons van buitenaf eigenlijk niet meer zichtbaar is). Evenzo is in de experimenten van de onderzoekers uit Zürich de golflengte van het licht veel groter dan de lichtbron.

Halfgeleider buiten de tunnelovergang

“Je zou dus kunnen denken dat we bewust op zoek waren naar een antenne-oplossing, maar in werkelijkheid waren we dat niet”, zegt Papadopoulos. Net als andere groepen vóór hen, onderzochten de onderzoekers lagen van halfgeleidermaterialen zoals wolfraamdisulfide met een dikte van een enkel atoom tussen de elektroden van de tunnelovergang om op deze manier licht te creëren.

In principe zou men aannemen dat de optimale positie ergens tussen de twee elektroden zou moeten liggen, misschien iets dichter bij de ene dan bij de andere. In plaats daarvan probeerden de onderzoekers iets heel anders door de halfgeleider bovenop de grafeenelektrode te plaatsen – helemaal buiten de tunnelovergang.

Verrassende antenne-actie

Verrassend genoeg werkte deze ogenschijnlijk onlogische positie heel goed. De onderzoekers ontdekten de reden hiervoor door de spanning op de tunnelovergang te variëren en de stroom die er doorheen vloeide te meten. Deze meting toonde een duidelijke resonantie, die overeenkwam met een zogenaamde excitonresonantie van het halfgeleidermateriaal.

Excitonen zijn gemaakt van een positief geladen gat, dat overeenkomt met een ontbrekend elektron, en een elektron dat door het gat is gebonden. Ze kunnen bijvoorbeeld worden geëxciteerd door lichtbestraling. De excitonresonantie was een duidelijk teken dat de halfgeleider niet rechtstreeks door ladingsdragers werd geëxciteerd – er gingen immers geen elektronen doorheen – maar dat hij de energie die in de tunnelovergang ontstond absorbeerde en vervolgens weer uitzond. Met andere woorden, het gedroeg zich heel erg als een antenne.

Toepassingen in lichtbronnen op nanoschaal

“Voorlopig is deze antenne niet erg goed omdat in de halfgeleider zogenaamde donkere excitonen worden gecreëerd, wat betekent dat er niet veel licht wordt uitgezonden”, geeft Novotny toe. “Dit verbeteren wordt ons huiswerk voor de nabije toekomst.” Als de onderzoekers erin slagen de lichtemissie van de halfgeleider efficiënter te maken, moet het mogelijk zijn om lichtbronnen te creëren die slechts enkele nanometers groot zijn en dus duizend keer kleiner zijn dan de golflengte van het licht dat ze produceren.

Aangezien er geen elektronen door de halfgeleiderantenne stromen, zijn er ook geen van de ongewenste effecten die typisch optreden bij grenzen en die de efficiëntie kunnen verminderen. “We hebben in ieder geval een deur geopend naar nieuwe toepassingen”, zegt Novotny. Het onverwachte proberen heeft blijkbaar zijn vruchten afgeworpen.