I en bedrift som kan ge ett lovande utbud av applikationer, från energieffektivitet till telekommunikation till förbättrad bildbehandling, forskare vid UC Santa Barbara har skapat en sammansatt halvledare av nästan perfekt kvalitet med inbäddade nanostrukturer som innehåller ordnade linjer av atomer som kan manipulera ljusenergi i det mellaninfraröda området. Effektivare solceller, mindre riskfylld och högre upplösning biologisk avbildning, och möjligheten att överföra enorma mängder data med högre hastigheter är bara ett fåtal applikationer som denna unika halvledare kommer att kunna stödja.

"Detta är ett nytt och spännande område, sa Hong Lu, forskare vid UCSB:s materialavdelning och huvudförfattare till en studie som nyligen publicerades i tidskriften Nanobokstäver , en publikation från American Chemical Society.

Nyckeln till denna teknik är användningen av erbium, en sällsynt jordartsmetall som har förmågan att absorbera ljus i såväl den synliga som den infraröda våglängden – vilket är längre och lägre frekvensvåglängder som det mänskliga ögat är vant vid – och som har använts i flera år för att förbättra prestanda hos kisel i produktionen av fiberoptik. Para erbium med grundämnet antimon (Sb), forskarna bäddade in den resulterande föreningen - erbiumantimonid (ErSb) - som halvmetalliska nanostrukturer i den halvledande matrisen av galliumantimonid (GaSb).

ErSb, enligt Lu, är ett idealiskt material att matcha med GaSb på grund av dess strukturella kompatibilitet med dess omgivande material, tillåta forskarna att bädda in nanostrukturerna utan att avbryta den atomära gitterstrukturen i den halvledande matrisen. Ju mindre bristfällig kristallgitterstrukturen hos en halvledare är, desto mer tillförlitlig och bättre prestanda kommer enheten i vilken den används.

"Nanostrukturerna är konsekvent inbäddade, utan att införa märkbara defekter, genom tillväxtprocessen genom molekylär strålepitaxi, sade Lu. För det andra, vi kan styra storleken, formen och orienteringen av nanostrukturerna." Termen "epitaxi" hänvisar till en process genom vilken lager av material avsätts atom för atom, eller molekyl för molekyl, den ena på den andra med en specifik orientering.

"Det är verkligen en ny typ av heterostruktur, sade Arthur Gossard, professor vid materialavdelningen och även vid institutionen för elektro- och datateknik. Medan halvledare som innehåller olika material har studerats i åratal – en teknologiprofessor från UCSB och Nobelpristagaren Herbert Kroemer var pionjärer – är en heterostrukturerad enkristallhalvledare/metall i en klass för sig.

Nanostrukturerna tillåter den sammansatta halvledaren att absorbera ett bredare spektrum av ljus på grund av ett fenomen som kallas ytplasmonresonans, sa Lu, och att effekten har potentiella tillämpningar inom breda forskningsfält, som solceller, medicinska tillämpningar för att bekämpa cancer, och inom det nya området plasmonik.

Optik och elektronik fungerar i väldigt olika skalor, där elektroninneslutning är möjlig i utrymmen som är mycket mindre än ljusvågor. Därför, det har varit en ständig utmaning för ingenjörer att skapa en krets som kan dra nytta av hastigheten och datakapaciteten hos fotoner och elektronikens kompakthet för informationsbehandling.

Den mycket eftertraktade bron mellan optik och elektronik kan hittas med denna sammansatta halvledare som använder ytplasmoner, elektronoscillationer vid ytan av en metall som exciteras av ljus. När ljus (i detta fall, infraröd) träffar ytan på denna halvledare, elektroner i nanostrukturerna börjar resonera – det vill säga, flytta sig bort från sina jämviktspositioner och oscillera med samma frekvens som det infraröda ljuset – bevara den optiska informationen, men krympa den till en skala som skulle vara kompatibel med elektroniska enheter.

När det gäller bildbehandling, inbäddade nanotrådar av ErSb erbjuder en stark bredbandspolariseringseffekt, enligt Lu, filtrera och definiera bilder med infraröda och till och med längre våglängds terahertz-ljussignaturer. Denna effekt kan användas för att avbilda en mängd olika material, inklusive människokroppen, utan risken för de högre energierna som härrör från röntgenstrålar, till exempel. Kemikalier som de som finns i sprängämnen och vissa illegala narkotika har unika absorptionsegenskaper i denna spektrumregion. Forskarna har redan ansökt om patent på dessa inbäddade nanotrådar som en bredbandsljuspolarisator.

"För infraröd avbildning, om du kan göra det med kontrollerbara polarisationer, det finns information där, sa Gossard.

Medan infraröda och terahertzvåglängder erbjuder mycket i vägen för den typ av information de kan ge, utvecklingen av instrument som kan dra full nytta av deras frekvensområde är fortfarande ett växande område. Lu tillskriver detta genombrott den samarbetande karaktären av forskningen på UCSB:s campus, vilket gjorde det möjligt för henne att slå samman sin materialexpertis med kompetensen hos forskare som är specialiserade på infraröd- och terahertz-teknik.

"Det är fantastiskt här, " sa hon. "Vi samarbetade i princip och upptäckte alla dessa intressanta egenskaper och egenskaper hos materialet tillsammans."

"En av de mest spännande sakerna med det här för mig är att det här var ett "gräsrotssamarbete", sa Mark Sherwin, professor i fysik, direktör för Institute for Terahertz Science and Technology vid UCSB, och en av tidningens medförfattare. Idén till inriktningen av forskningen kom från de yngre forskarna i gruppen, han sa, studenter och studenter från olika laboratorier och forskargrupper som arbetar med olika aspekter av projektet, som alla bestämde sig för att kombinera sina ansträngningar och sin expertis i en studie. "Jag tror att det som verkligen är speciellt med UCSB är att vi kan ha en sådan miljö."

Sedan tidningen skrevs, de flesta av forskarna har gått in i industrin:Daniel G. Ouelette och Benjamin Zaks, tidigare vid Institutionen för fysik och Institutet för Terahertz Science and Technology vid UCSB, jobbar nu på Intel och Agilent, respektive. Deras kollega Justin Watts, som var en grundutbildningsdeltagare bedriver nu forskarstudier vid University of Minnesota. Peter Burke, tidigare av UCSB Materials Department, jobbar nu på Lockheed Martin. Sascha Preu, en tidigare postdoc i Sherwin Group, är nu biträdande professor vid Darmstadts tekniska universitet.

Forskare på campus undersöker också möjligheterna med denna teknik inom termoelektrik, som studerar hur temperaturskillnader hos ett material kan skapa elektrisk spänning eller hur skillnader i elektriska spänningar i ett material kan skapa temperaturskillnader. Kända UCSB-forskare John Bowers (solid state photonics) och Christopher Palmstrom (hetereroepitaxial tillväxt av nya material) undersöker potentialen hos denna nya halvledare.