Kisel, ett halvledande material, avslöjar nya talanger när de reduceras till nanoskopiska dimensioner. Ett gemensamt team vid HZB Institute of Nanoarchitectures for Energy Conversion och Max Planck Institute for the Science of Light (MPL) har visat detta. Kiselnanokoner genererar 200 gånger så mycket infraröd luminescens som nanokolonner av jämförbar storlek när de exciteras av synligt ljus. Modellering och experimentella resultat visar att på grund av deras geometri, kottar kan upprätthålla vad som kallas viskande gallerilägen vid infraröda våglängder som kan intensifiera kiselluminescensen. Nya tillämpningar är tänkbara, inklusive kiselbaserade nanoler.

Kisel är ett konventionellt material för datachips och solceller. Dock, även om egenskaperna hos kisel är välkända, nanostrukturer erbjuder fortfarande överraskningar. Ett team som leds av prof. Silke Christiansen vid HZB Institute of Nanoarchitectures for Energy Conversion tillsammans med Max Planck Institute for the Science of Light (MPL) har för första gången visat hur ljus beter sig i en kiselnanokon. Deras numeriska simuleringar och experiment visar nu varför denna avsmalnande geometri kan avge optiskt exciterad luminescens mycket bättre än nanokolonner med jämförbar storlek. "Kottarna fungerar som matriser i små viskande gallerier - inte för ljud, utan snarare för ljus", förklarar Sebastian Schmitt, första författaren.

Stark luminescens i nanokoner

Schmitt och hans kollega George Sarau bestrålade enskilda nanokolonner och nanokoner av kisel med rött laserljus (660 nanometer) och mätte den strålning som sedan sänds ut som luminescens av provet. Det är känt att luminescens i kisel (utan någon nanostrukturering) normalt är mycket låg eftersom exciterade elektroner knappast rekombinerar strålande i detta material (indirekt bandgap). I kontrast, nanostrukturerna omvandlar en mycket större del av det infallande ljuset till elektromagnetisk strålning i det nära-infraröda området. Denna effekt i nanokoner är 200 gånger starkare än i nanokolonner. "Detta är den högsta luminescensförstärkning som någonsin uppmätts i en kiselstruktur", säger Schmitt.

Viskande gallerilägen

Teamet kan också förklara varför det är så. Utbredningen av elektromagnetiska vågor i olika geometrier hos nanotrådar av kisel kan beräknas med hjälp av numerisk modellering. Eftersom nanokonens diameter ändras med höjden, det finns flera nivåer där det infraröda ljuset är konstruktivt överlagrat för att bilda stående vågor. Denna förstärkning underlättar ökad excitation av elektroner och därmed frisättningen av luminescens. Detta fenomen är känt som Purcell-effekten i fält. Om en ljuskälla finns i en optisk resonator, spontana ljusemissioner ökar. Nanokonerna fungerar som enastående resonatorer, som optiska viskningsgallerier för ljus.

Designregler för nya enheter

"Dessa typer av nanostrukturer gjorda av individuella koner är inte svåra att tillverka", förklarar Schmitt. De skulle lätt integreras som nya komponenter i dominerande CMOS-halvledartillverkningstekniker som används för dioder, optoelektroniska omkopplare, och optiska sensorer, till exempel. Dessa strukturer skulle till och med kunna producera laserljus i kombination med ett lämpligt optiskt aktivt medium, antar fysikern. "Vi kan härleda enkla designregler för halvledarnanostrukturer med denna typ av kunskap för att utöva kontroll över antalet och våglängderna för värdlägen och därigenom styra luminescensen", säger Christiansen.