Illustration av en enhet i nanostorlek gjord av två sammanfogade silverenkristaller som genererar ljus genom oelastisk elektrontunnling. Kredit:Steven Bopp, University of California - San Diego
Med hjälp av avancerad tillverkningsteknik, ingenjörer vid University of California San Diego har byggt en nanostor enhet av silverkristaller som kan generera ljus genom att effektivt "tunnla" elektroner genom en liten barriär. Arbetet tar plasmonikforskning ett steg närmare att förverkliga ultrakompakta ljuskällor för höghastighets-, optisk databehandling och andra chiptillämpningar.
Verket publiceras 23 juli i Naturfotonik .
Enheten avger ljus av ett kvantmekaniskt fenomen som kallas oelastisk elektrontunnling. I denna process, elektroner rör sig genom en solid barriär som de inte klassiskt kan passera. Och när du korsar, elektronerna förlorar en del av sin energi, skapar antingen fotoner eller fononer i processen.
Plasmonikforskare har varit intresserade av att använda oelastisk elektrontunnling för att skapa extremt små ljuskällor med stor moduleringsbandbredd. Dock, eftersom endast en liten bråkdel av elektroner kan tunnla oelastiskt, effektiviteten för ljusemission är vanligtvis låg - i storleksordningen några hundradelar av en procent, som mest.
Ingenjörer från UC San Diego skapade en enhet som ökar effektiviteten upp till cirka två procent. Även om detta ännu inte är tillräckligt högt för praktisk användning, det är det första steget till en ny typ av ljuskälla, sa Zhaowei Liu, en professor i el- och datorteknik vid UC San Diego Jacobs School of Engineering.
"Vi utforskar ett nytt sätt att generera ljus, " sa Liu.
Till vänster:schematiskt över tunnelövergången bildad av två kant-till-kant silver enkristallkuboider med en isolerande barriär av polyvinylpyrrolidon (PVP). Den övre insättningen visar att fotoner genereras genom oelastisk elektrontunnling. Enhetens prestanda kan konstrueras genom att ställa in storleken på kuberna (a, b, c), gapstorleken (d), och krökningen av silverkubiska kanter. Höger:TEM-bild av tunnelkorsningen, där gapet är runt 1,5 nm. Kredit:Haoliang Qian/Nature Photonics
Lius team designade den nya ljusemitterande enheten med hjälp av beräkningsmetoder och numeriska simuleringar. Forskare i Andrea Taos labb, en professor i nanoteknik vid UC San Diego Jacobs School of Engineering, konstruerade sedan enheten med hjälp av avancerad lösningsbaserad kemiteknik.
Enheten är en liten fluga-formad plasmonisk nanostruktur som består av två kubiska, enkla kristaller av silver sammanfogade i ett hörn. Förbinder hörnen är en 1,5 nanometer bred barriär av isolator gjord av en polymer som kallas polyvinylpyrrolidon (PVP).
Denna lilla metall-isolator-metall (silver-PVP-silver) korsningen är där åtgärden inträffar. Elektroder anslutna till nanokristallerna tillåter spänning att appliceras på enheten. När elektroner går från ett hörn av en silvernanokristall genom den lilla PVP-barriären, de överför energi till ytplasmonpolaritoner – elektromagnetiska vågor som färdas längs metallisolatorns gränssnitt – som sedan omvandlar den energin till fotoner.
Men det som gör just denna korsning mer effektiv när det gäller att tunnla elektroner oelastiskt är dess geometri och extremt lilla storlek. Genom att sammanfoga två silverenkristaller i sina hörn med en liten barriär av isolator emellan, forskare skapade i huvudsak en optisk antenn av hög kvalitet med en hög lokal täthet av optiska tillstånd, vilket resulterar i mer effektiv omvandling av elektronisk energi till ljus.
SEM-bilder av silvernanokristallbaserade tunnelkorsningar odlade med olika dimensioner. Kredit:Haoliang Qian/Nature Photonics
Metall-isolator-metall-övergångar har haft så låg ljusemissionseffektivitet tidigare eftersom de konstruerades genom att sammanfoga metallkristaller längs en hel yta, snarare än ett hörn, förklarade Liu. Att ge elektroner en högkvalitativ optisk antenn med ett mycket mindre gap till tunnel genom möjliggör effektiv ljusemission, och denna typ av struktur har varit svår att tillverka med nanolitografimetoder som använts tidigare, han sa.
"Med hjälp av kemi, vi kan bygga dessa exakta korsningar i nanostorlek som tillåter mer effektiv ljusemission, ", sa Tao. "De tillverkningstekniker vi använder ger oss kontroll över våra material på atomnivå - vi kan diktera storleken och formen på kristaller i lösning baserat på de reagenser vi använder, och vi kan skapa strukturer som har atomärt plana ytor och extremt skarpa hörn."
Med ytterligare arbete, teamet siktar på att ytterligare öka effektiviteten ytterligare en storleksordning högre. De utforskar olika geometrier och material för framtida studier.
