In un'impresa che potrebbe fornire una gamma promettente di applicazioni, dall'efficienza energetica alle telecomunicazioni all'imaging avanzato, i ricercatori della UC Santa Barbara hanno creato un semiconduttore composto di qualità quasi perfetta con nanostrutture incorporate contenenti linee ordinate di atomi in grado di manipolare l'energia della luce nella gamma del medio infrarosso. Celle solari più efficienti, imaging biologico meno rischioso e ad alta risoluzione, e la capacità di trasmettere enormi quantità di dati a velocità più elevate sono solo alcune delle applicazioni che questo semiconduttore unico sarà in grado di supportare.

"Questo è un campo nuovo ed entusiasmante, " ha detto Hong Lu, ricercatore nel dipartimento dei materiali dell'UCSB e autore principale di uno studio pubblicato di recente sulla rivista Nano lettere , una pubblicazione dell'American Chemical Society.

La chiave di questa tecnologia è l'uso dell'erbio, un metallo delle terre rare che ha la capacità di assorbire la luce nella lunghezza d'onda visibile e infrarossa, che è una lunghezza d'onda di frequenza più lunga e più bassa a cui l'occhio umano è abituato, ed è stato utilizzato per anni per migliorare le prestazioni del silicio nella produzione di fibre ottiche. Abbinamento dell'erbio con l'elemento antimonio (Sb), i ricercatori hanno incorporato il composto risultante, l'antimonide di erbio (ErSb), come nanostrutture semimetalliche all'interno della matrice semiconduttiva dell'antimonide di gallio (GaSb).

ErSb, secondo Lu, è un materiale ideale da abbinare a GaSb a causa della sua compatibilità strutturale con il materiale circostante, consentendo ai ricercatori di incorporare le nanostrutture senza interrompere la struttura reticolare atomica della matrice semiconduttiva. Quanto meno difettosa è la struttura del reticolo cristallino di un semiconduttore, tanto più affidabile e performante sarà il dispositivo in cui viene utilizzato.

"Le nanostrutture sono integrate in modo coerente, senza introdurre difetti evidenti, attraverso il processo di crescita per epitassia a fascio molecolare, " disse Lu. "In secondo luogo, possiamo controllare la dimensione, la forma e l'orientamento delle nanostrutture." Il termine "epitassia" si riferisce a un processo mediante il quale vengono depositati strati di materiale atomo per atomo, o molecola per molecola, uno sopra l'altro con un orientamento specifico.

"È davvero un nuovo tipo di eterostruttura, " disse Arthur Gossard, docente presso il Dipartimento di Materiali e anche presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica. Mentre i semiconduttori che incorporano materiali diversi sono stati studiati per anni - un professore di tecnologia dell'UCSB e premio Nobel Herbert Kroemer ha aperto la strada - un semiconduttore/metallo eterostrutturato a cristallo singolo è in una classe a parte.

Le nanostrutture consentono al semiconduttore composto di assorbire uno spettro di luce più ampio a causa di un fenomeno chiamato risonanza plasmonica superficiale, ha detto Lu, e che l'effetto ha potenziali applicazioni in ampi campi di ricerca, come le celle solari, applicazioni mediche per combattere il cancro, e nel nuovo campo della plasmonica.

L'ottica e l'elettronica operano su scale molto diverse, con il confinamento degli elettroni possibile in spazi molto più piccoli delle onde luminose. Perciò, è stata una sfida continua per gli ingegneri creare un circuito in grado di sfruttare la velocità e la capacità di dati dei fotoni e la compattezza dell'elettronica per l'elaborazione delle informazioni.

Il ponte molto ricercato tra ottica ed elettronica può essere trovato con questo semiconduttore composto che utilizza plasmoni di superficie, oscillazioni di elettroni sulla superficie di un metallo eccitato dalla luce. Quando la luce (in questo caso, infrarossi) colpisce la superficie di questo semiconduttore, gli elettroni nelle nanostrutture iniziano a risuonare, cioè allontanarsi dalle loro posizioni di equilibrio e oscillare alla stessa frequenza della luce infrarossa, preservando le informazioni ottiche, ma riducendolo a una scala compatibile con i dispositivi elettronici.

Nel campo dell'imaging, i nanofili incorporati di ErSb offrono un forte effetto di polarizzazione a banda larga, secondo Lu, filtraggio e definizione delle immagini con segnali luminosi terahertz a infrarossi e persino a lunghezze d'onda più lunghe. Questo effetto può essere utilizzato per visualizzare una varietà di materiali, compreso il corpo umano, senza il rischio rappresentato dalle energie superiori che emanano dai raggi X, ad esempio. Le sostanze chimiche come quelle che si trovano negli esplosivi e in alcuni stupefacenti illegali hanno caratteristiche di assorbimento uniche in questa regione dello spettro. I ricercatori hanno già richiesto un brevetto per questi nanofili incorporati come polarizzatore di luce a banda larga.

"Per l'imaging a infrarossi, se puoi farlo con polarizzazioni controllabili, ci sono informazioni lì, " disse Gossard.

Mentre le lunghezze d'onda infrarosse e terahertz offrono molto in termini di tipo di informazioni che possono fornire, lo sviluppo di strumenti che possono sfruttare appieno la loro gamma di frequenze è ancora un campo emergente. Lu attribuisce questa svolta alla natura collaborativa della ricerca nel campus dell'UCSB, che le ha permesso di unire la sua esperienza sui materiali con le competenze di ricercatori specializzati nella tecnologia a infrarossi e terahertz.

"È incredibile qui, " ha detto. "In pratica abbiamo collaborato e scoperto tutte queste interessanti caratteristiche e proprietà del materiale insieme".

"Una delle cose più eccitanti di questo per me è che si trattava di una collaborazione 'dal basso', " ha detto Mark Sherwin, professore di fisica, direttore dell'Institute for Terahertz Science and Technology presso l'UCSB, e uno dei coautori del documento. L'idea per la direzione della ricerca è venuta dai ricercatori junior del gruppo, Egli ha detto, studenti laureandi e laureandi di diversi laboratori e gruppi di ricerca che lavorano su diversi aspetti del progetto, tutti coloro che hanno deciso di unire i loro sforzi e le loro competenze in un unico studio. "Penso che la cosa davvero speciale dell'UCSB sia che possiamo avere un ambiente del genere".

Da quando il documento è stato scritto, la maggior parte dei ricercatori è entrata nell'industria:Daniel G. Ouelette e Benjamin Zaks, precedentemente del Dipartimento di Fisica e dell'Istituto per la scienza e la tecnologia Terahertz dell'UCSB, ora lavora in Intel e Agilent, rispettivamente. Il loro collega Justin Watts, che era un partecipante universitario ora sta perseguendo gli studi universitari presso l'Università del Minnesota. Peter Burke, ex del Dipartimento dei materiali della University of California, ora lavora alla Lockheed Martin. Sascha Preu, un ex postdoc nel gruppo Sherwin, è ora assistente professore presso l'Università tecnica di Darmstadt.

I ricercatori del campus stanno anche esplorando le possibilità di questa tecnologia nel campo della termoelettrica, che studia come le differenze di temperatura di un materiale possono creare tensione elettrica o come le differenze di tensione elettrica in un materiale possono creare differenze di temperatura. I rinomati ricercatori dell'UCSB John Bowers (fotonica a stato solido) e Christopher Palmstrom (crescita eteropitassiale di nuovi materiali) stanno studiando il potenziale di questo nuovo semiconduttore.