光的快速切换和调制是现代数据传输的核心，其中信息通过光纤电缆以调制光束的形式发送。多年来，光调制器的小型化并将其集成到芯片中已经成为可能，但光源本身——发光二极管(LED)或激光器——仍然给工程师带来了问题。
由LukasNovotny教授领导的苏黎世联邦理工学院的研究小组与杜本多夫EMPA和巴塞罗那ICFO的同事一起，现在发现了一种新机制，可以在未来产生微小但高效的光源。他们的研究结果最近发表在《自然材料》杂志上。
尝试意想不到的事情
“为了实现这一目标，我们首先必须尝试意想不到的事情，”诺沃特尼说。多年来，他和他的同事一直致力于基于隧道效应的微型光源的研究。在由绝缘材料分隔的两个电极(在本例中由金和石墨烯制成)之间，电子可以根据量子力学规则进行隧道传输。在特定情况下——也就是说，如果隧道过程是非弹性的，这意味着电子的能量不守恒——就可以产生光。
“不幸的是，这些光源的产量相当低，因为辐射发射效率非常低，”博士后SotiriosPapadopoulos解释道。这种排放问题在其他技术领域是众所周知的。例如，在手机中，产生传输所需微波的芯片尺寸只有几毫米。
相比之下，微波本身的波长约为20厘米，这使得它们比芯片大一百倍。为了克服这种尺寸差异，需要天线(在现代手机中，实际上从外部不再可见)。同样，在苏黎世研究人员的实验中，光的波长远大于光源的波长。
隧道结外的半导体
“那么，人们可能会认为我们有意识地寻找天线解决方案，但实际上我们没有，”帕帕佐普洛斯说。与之前的其他小组一样，研究人员正在研究半导体材料层，例如夹在隧道结电极之间的单原子厚度的二硫化钨，以便以这种方式产生光。
原则上，人们会假设最佳位置应该位于两个电极之间的某个位置，可能距离一个电极比另一个电极更近一些。相反，研究人员尝试了完全不同的方法，将半导体放在石墨烯电极的顶部——完全在隧道结之外。
令人惊讶的天线动作
令人惊讶的是，这种看似不合逻辑的立场却起到了很好的作用。研究人员通过改变施加到隧道结的电压并测量流过它的电流找到了原因。该测量显示出明显的共振，这与半导体材料的所谓激子共振相匹配。
激子由带正电的空穴(对应于缺失的电子)和被空穴束缚的电子组成。例如，它们可以通过光照射而被激发。激子共振是一个明显的迹象，表明半导体不是直接被电荷载流子激发的——毕竟，没有电子流过它——而是它吸收了隧道结中产生的能量，然后重新发射它。换句话说，它的作用非常像天线。
在纳米级光源中的应用
“目前，这种天线还不是很好，因为在半导体内部产生了所谓的暗激子，这意味着发出的光不多，”诺沃特尼承认。“改善这一点将是我们近期的功课。”如果研究人员成功地提高了半导体的光发射效率，那么就有可能制造出尺寸仅为几纳米的光源，因此比它们产生的光的波长小一千倍。
由于没有电子流过半导体天线，因此也不存在通常在边界处发生并可能降低效率的不良效应。“无论如何，我们已经为新的应用程序打开了大门，”诺沃特尼说。尝试意想不到的事情显然得到了回报。
标签：
免责声明：本文由用户上传，如有侵权请联系删除！