MIT -forskarna deponerade triangulära lager av molybdendisulfid på ett kiselsubstrat. Till vänster, regioner markerade med blått indikerar var lagren överlappar varandra.
Chips som använder ljus, snarare än el, att flytta data skulle konsumera mycket mindre ström - och energieffektivitet är ett växande problem när chipsens transistortal stiger.
Av de tre huvudkomponenterna i optiska kretsar - ljusemitterare, modulatorer, och detektorer - sändare är de tuffaste att bygga. En lovande ljuskälla för optiska chips är molybdendisulfid (MoS 2 ), som har utmärkta optiska egenskaper när de deponeras som en singel, atomtjockt lager. Andra experimentella ljussändare på chip har mer komplexa tredimensionella geometrier och använder sällsynta material, vilket skulle göra dem svårare och dyrare att tillverka.
I nästa nummer av tidningen Nano bokstäver , forskare från MIT:s avdelningar för fysik och elektroteknik och dator Vetenskap kommer att beskriva en ny teknik för att bygga MoS 2 ljusstrålare inställda på olika frekvenser, ett viktigt krav för optoelektroniska chips. Eftersom tunna materialfilmer också kan mönstras på plastskivor, samma arbete kan peka mot tunt, flexibel, ljus, färgskärmar.
Forskarna ger också en teoretisk beskrivning av de fysiska fenomen som förklarar sändarnas avstämning, vilket kan hjälpa till att leta efter ännu bättre kandidatmaterial. Molybden är ett av flera element, samlas i det periodiska systemet, kallas övergångsmetaller. "Det finns en hel familj av övergångsmetaller, "säger institutprofessor emeritus Mildred Dresselhaus, motsvarande författare på det nya papperet. "Om du hittar den i en, då ger det dig ett incitament att titta på det i hela familjen. "
Ansluta till Dresselhaus på pappret är gemensamma första författare Shengxi Huang, en doktorand i elektroteknik och datavetenskap, och Xi Ling, en postdoc i forskningslaboratoriet för elektronik; docent i elektroteknik och datavetenskap Jing Kong; och Liangbo Liang, Humberto Terrones, och Vincent Meunier från Rensselaer Polytechnic Institute.
Monoskikt - med en twist
De flesta optiska kommunikationssystem-till exempel fiberoptiska nätverk som ger många människor internet- och tv-tjänster-maximerar bandbredden genom att koda olika data vid olika optiska frekvenser. Så justerbarhet är avgörande för att förverkliga den fulla potentialen hos optoelektroniska chips.
Prickade linjer på vänster kontur olika lager av molybdendisulfid, vars relativa orientering bestämmer ljusets våglängd som de avger.
MIT -forskarna ställde in sina utsläpp genom att deponera två lager av MoS 2 på ett kiselsubstrat. De övre skikten roterades relativt de nedre skikten, och rotationsgraden bestämde våglängden för det utsända ljuset.
Vanligtvis, MoS 2 är en bra ljusstrålare endast i monoskikt, eller atomtjocka ark. Som Huang förklarar, det beror på att arkets tvådimensionella struktur begränsar elektronerna som kretsar runt MoS 2 molekyler till ett begränsat antal energitillstånd.
MoS 2 , som alla ljusemitterande halvledare, är det som kallas ett direktband-gap-material. När energi tillförs materialet, antingen med en laser "pump" eller som en elektrisk ström, det sparkar några av elektronerna som kretsar molekylerna till tillstånd med högre energi. När elektronerna faller tillbaka till sitt ursprungliga tillstånd, de avger sin överskottsenergi som ljus.
I ett monoskikt av MoS 2 , de upphetsade elektronerna kan inte fly planet som definieras av materialets kristallgitter:På grund av kristallens geometri, de enda energistaterna som är tillgängliga för dem att hoppa in över den ljusemitterande tröskeln. Men i flerskikts MoS 2 , de intilliggande skikten erbjuder lägre energitillstånd, under tröskeln, och en upphetsad elektron kommer alltid att söka den lägsta energin den kan hitta.
Tänk på klyftan
Så medan forskarna visste att rotera lagren av MoS 2 bör ändra våglängden för det utsända ljuset, de var inte alls säkra på att ljuset skulle vara tillräckligt intensivt för användning inom optoelektronik. Som det visar sig, dock, lagrenas rotation i förhållande till varandra förändrar kristallgeometrin tillräckligt för att bevara bandgapet. Det utsända ljuset är inte riktigt lika intensivt som det som produceras av ett monoskikt av MoS 2 , men det är verkligen tillräckligt intensivt för praktisk användning - och betydligt intensivare än det som produceras av de flesta rivaliserande tekniker.
Forskarna kunde exakt karaktärisera förhållandet mellan de roterade skiktens geometrier och det utsända ljusets våglängd och intensitet. "För olika vridna vinklar, den faktiska separationen mellan de två skikten är annorlunda, så kopplingen mellan de två skikten är olika, "Huang förklarar." Detta stör elektrontätheten i tvåskiktssystemet, vilket ger dig en annan fotoluminescens. "Den teoretiska karakteriseringen borde göra det mycket lättare att förutsäga om andra övergångsmetallföreningar kommer att visa liknande ljusemissioner.
"Det här är något riktigt nytt, "säger Fengnian Xia, en biträdande professor i elektroteknik vid Yale University. "Det ger dig en ny modell för tuning."
"Jag förväntade mig att den här typen av vinkeljustering skulle fungera, men jag trodde inte att effekten skulle bli så stor, "Tillägger Xia." De får ganska betydande inställning. Det är lite förvånande. "
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."
Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.
