(Da sinistra) Eli Yablonovitch, Ali Javey e Hui Fang hanno scoperto una semplice legge sull'assorbimento della luce per i semiconduttori 2D che dovrebbe aprire le porte a nuove esotiche tecnologie optoelettroniche e fotoniche. Credito:Roy Kaltschmidt, Berkeley Lab
Dalle celle solari ai sensori optoelettronici ai laser e ai dispositivi di imaging, molte delle odierne tecnologie dei semiconduttori dipendono dall'assorbimento della luce. L'assorbimento è particolarmente critico per le strutture di dimensioni nanometriche all'interfaccia tra due barriere energetiche chiamate pozzi quantici, in cui il movimento dei portatori di carica è limitato a due dimensioni. Ora, per la prima volta, è stata dimostrata una semplice legge di assorbimento della luce per semiconduttori 2D.
Lavorando con membrane ultrasottili dell'arseniuro di indio semiconduttore, un team di ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) ha scoperto un'unità quantistica di assorbimento dei fotoni, che hanno soprannominato "A Q , " dovrebbe essere generale per tutti i semiconduttori 2D, compresi semiconduttori composti della famiglia III-V che sono preferiti per pellicole solari e dispositivi optoelettronici. Questa scoperta non solo fornisce nuove informazioni sulle proprietà ottiche dei semiconduttori 2D e dei pozzi quantistici, dovrebbe anche aprire le porte a nuove esotiche tecnologie optoelettroniche e fotoniche.
"Abbiamo utilizzato membrane autoportanti in arseniuro di indio fino a tre nanometri di spessore come sistema di materiale modello per sondare con precisione le proprietà di assorbimento dei semiconduttori 2D in funzione dello spessore della membrana e della struttura della banda di elettroni, "dice Ali Javey, uno scienziato della facoltà nella divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab e un professore di ingegneria elettrica e informatica presso l'Università della California (UC) Berkeley. "Abbiamo scoperto che l'entità dell'assorbimento graduale in questi materiali è indipendente dallo spessore e dai dettagli della struttura della banda".
In questo studio di microspettroscopia FTIR, gli spettri di assorbimento della luce sono ottenuti da spettri di trasmissione e riflessione misurati in cui l'angolo di luce incidente è perpendicolare alla membrana. Credito:gruppo Javey
Javey è uno dei due autori corrispondenti di un articolo che descrive questa ricerca nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze ( PNAS ). L'articolo si intitola "Quanto dell'assorbimento ottico nei semiconduttori bidimensionali". Eli Yablonovitch, un ingegnere elettrico che ricopre anche incarichi congiunti con Berkeley Lab e UC Berkeley, è l'altro autore corrispondente.
Lavori precedenti hanno dimostrato che il grafene, un foglio di carbonio bidimensionale, ha un valore universale di assorbimento della luce. Javey, Yablonovitch e i loro colleghi hanno ora scoperto che una legge generalizzata simile si applica a tutti i semiconduttori 2D. Questa scoperta è stata resa possibile da un processo unico che Javey e il suo gruppo di ricerca hanno sviluppato in cui film sottili di arseniuro di indio vengono trasferiti su un substrato otticamente trasparente, in questo caso fluoruro di calcio.
"Questo ci ha fornito membrane ultrasottili di arseniuro di indio, solo poche celle unitarie di spessore, che assorbono la luce su un substrato che non assorbe luce, "Dice Javey. "Siamo stati quindi in grado di studiare le proprietà di assorbimento ottico delle membrane che variavano in spessore da tre a 19 nanometri in funzione della struttura e dello spessore della banda".
L'arseniuro di indio è un semiconduttore III-V con mobilità e velocità degli elettroni che lo rendono un candidato eccezionale per il futuro ad alta velocità, dispositivi optoelettronici a bassa potenza.
Utilizzando le capacità della spettroscopia infrarossa in trasformata di Fourier (FTIR) di Beamline 1.4.3 presso la sorgente di luce avanzata del Berkeley Lab, una struttura nazionale per gli utenti DOE, Javey, Yablonovitch e i loro coautori hanno misurato l'entità dell'assorbimento della luce nella transizione da una banda elettronica alla successiva a temperatura ambiente. Hanno osservato un discreto aumento graduale ad ogni transizione dalle membrane di arseniuro di indio con un A Q valore di circa 1,7 per cento per passo.
"Questa legge di assorbimento sembra essere universale per tutti i sistemi a semiconduttore 2D, " afferma Yablonovitch. "I nostri risultati si aggiungono alla comprensione di base delle interazioni elettrone-fotone in condizioni di forte confinamento quantistico e forniscono una visione unica dell'uso dei semiconduttori 2D per nuove applicazioni fotoniche e optoelettroniche".
