(från vänster) Eli Yablonovitch, Ali Javey och Hui Fang upptäckte en enkel lag för ljusabsorption för 2D-halvledare som borde öppna dörrar till exotiska nya optoelektroniska och fotoniska teknologier. Kredit:Roy Kaltschmidt, Berkeley Lab
Från solceller till optoelektroniska sensorer till lasrar och bildåtergivningsenheter, många av dagens halvledarteknologier är beroende av absorption av ljus. Absorption är särskilt kritisk för strukturer i nanostorlek vid gränssnittet mellan två energibarriärer som kallas kvantbrunnar, där laddningsbärarnas rörelse är begränsad till två dimensioner. Nu, för första gången, en enkel lag för ljusabsorption för 2D-halvledare har visats.
Arbeta med ultratunna membran av halvledaren indiumarsenid, ett team av forskare vid det amerikanska energidepartementet (DOE) Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har upptäckt en kvantenhet för fotonabsorption, som de har kallat "A Q , " det borde vara allmänt för alla 2D-halvledare, inklusive sammansatta halvledare av III-V-familjen som är gynnade för solfilmer och optoelektroniska enheter. Denna upptäckt ger inte bara ny insikt om de optiska egenskaperna hos 2D-halvledare och kvantbrunnar, det bör också öppna dörrar till exotiska nya optoelektroniska och fotoniska tekniker.
"Vi använde fristående indiumarsenidmembran ned till tre nanometer i tjocklek som ett modellmaterialsystem för att noggrant undersöka absorptionsegenskaperna hos 2D-halvledare som en funktion av membrantjocklek och elektronbandstruktur, säger Ali Javey, en fakultetsforskare vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning och professor i elektroteknik och datavetenskap vid University of California (UC) Berkeley. "Vi upptäckte att storleken på stegvis absorption i dessa material är oberoende av tjocklek och bandstrukturdetaljer."
I denna FTIR-mikrospektroskopistudie, ljusabsorptionsspektra erhålls från uppmätta transmissions- och reflektionsspektra i vilka den infallande ljusvinkeln är vinkelrät mot membranet. Kredit:Javey group
Javey är en av två motsvarande författare till en artikel som beskriver denna forskning i Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ). Uppsatsen har titeln "Quantum of optical absorption in two-dimensional halfconductors." Eli Yablonovitch, en elektroingenjör som också har gemensamma utnämningar med Berkeley Lab och UC Berkeley, är den andra motsvarande författaren.
Tidigare arbete har visat att grafen, ett tvådimensionellt ark av kol, har ett universellt värde för ljusabsorption. Javey, Yablonovitch och deras kollegor har nu funnit att en liknande generaliserad lag gäller för alla 2D-halvledare. Denna upptäckt möjliggjordes av en unik process som Javey och hans forskargrupp utvecklade där tunna filmer av indiumarsenid överförs till ett optiskt transparent substrat, i detta fall kalciumfluorid.
"Detta gav oss ultratunna membran av indiumarsenid, endast ett fåtal enhetsceller i tjocklek, som absorberar ljus på ett underlag som inte absorberar något ljus, " säger Javey. "Vi kunde sedan undersöka de optiska absorptionsegenskaperna hos membran som varierade i tjocklek från tre till 19 nanometer som en funktion av bandstruktur och tjocklek."
Indiumarsenid är en III–V-halvledare med elektronrörlighet och hastighet som gör den till en enastående kandidat för framtida höghastighets-, optoelektroniska enheter med låg effekt.
Genom att använda Fourier transform infraröd spektroskopi (FTIR) funktionerna i Beamline 1.4.3 vid Berkeley Labs avancerade ljuskälla, en DOE nationell användaranläggning, Javey, Yablonovitch och deras medförfattare mätte storleken på ljusabsorptionen i övergången från ett elektroniskt band till nästa vid rumstemperatur. De observerade en diskret stegvis ökning vid varje övergång från indiumarsenidmembran med ett A Q värde på cirka 1,7 procent per steg.
"Denna absorptionslag verkar vara universell för alla 2D-halvledarsystem, " säger Yablonovitch. "Våra resultat bidrar till den grundläggande förståelsen av elektron-foton-interaktioner under stark kvantinneslutning och ger en unik insikt i användningen av 2D-halvledare för nya fotoniska och optoelektroniska tillämpningar."
