I ricercatori del MIT hanno depositato strati triangolari di bisolfuro di molibdeno su un substrato di silicio. A sinistra, le regioni evidenziate in blu indicano dove i livelli si sovrappongono.
Chip che usano la luce, piuttosto che elettricità, spostare i dati consumerebbe molta meno energia e l'efficienza energetica è una preoccupazione crescente man mano che il numero di transistor dei chip aumenta.
Dei tre componenti principali dei circuiti ottici:emettitori di luce, modulatori, e rilevatori:gli emettitori sono i più difficili da costruire. Una fonte di luce promettente per i chip ottici è il bisolfuro di molibdeno (MoS 2 ), che ha eccellenti proprietà ottiche quando depositato come singolo, strato dello spessore di un atomo. Altri emettitori di luce sperimentali su chip hanno geometrie tridimensionali più complesse e utilizzano materiali più rari, che li renderebbe più difficili e costosi da produrre.
Nel prossimo numero della rivista Nano lettere , ricercatori dei dipartimenti di Fisica e di Ingegneria Elettrica e Informatica del MIT Scienza descriverà una nuova tecnica per costruire MoS 2 emettitori di luce sintonizzati su diverse frequenze, un requisito essenziale per i chip optoelettronici. Poiché sottili film di materiale possono essere modellati anche su fogli di plastica, lo stesso lavoro potrebbe puntare verso il sottile, flessibile, luminosa, display a colori.
I ricercatori forniscono anche una caratterizzazione teorica dei fenomeni fisici che spiegano la sintonizzabilità degli emettitori, che potrebbe aiutare nella ricerca di materiali candidati ancora migliori. Il molibdeno è uno dei tanti elementi, raggruppati nella tavola periodica, noti come metalli di transizione. "C'è un'intera famiglia di metalli di transizione, ", afferma la professoressa emerita dell'Istituto Mildred Dresselhaus, l'autore corrispondente sul nuovo articolo. "Se lo trovi in uno, poi ti dà qualche incentivo a guardarlo in tutta la famiglia".
Ad unirsi a Dresselhaus sulla carta sono i primi autori congiunti Shengxi Huang, uno studente laureato in ingegneria elettrica e informatica, e Xi Ling, un postdoc nel Laboratorio di Ricerca di Elettronica; professore associato di ingegneria elettrica e informatica Jing Kong; e Liangbo Liang, Umberto Terrone, e Vincent Meunier del Rensselaer Polytechnic Institute.
Monostrato—con un tocco in più
La maggior parte dei sistemi di comunicazione ottica, come le reti in fibra ottica che forniscono a molte persone servizi Internet e TV, massimizza la larghezza di banda codificando dati diversi a frequenze ottiche diverse. Quindi la sintonizzabilità è fondamentale per realizzare il pieno potenziale dei chip optoelettronici.
Le linee tratteggiate a sinistra delineano diversi strati di bisolfuro di molibdeno, il cui orientamento relativo determina la lunghezza d'onda della luce che emettono.
I ricercatori del MIT hanno messo a punto i loro emettitori depositando due strati di MoS 2 su un substrato di silicio. Gli strati superiori sono stati ruotati rispetto agli strati inferiori, e il grado di rotazione determinava la lunghezza d'onda della luce emessa.
ordinariamente, MoS 2 è un buon emettitore di luce solo in monostrati, o fogli dello spessore di un atomo. Come spiega Huang, questo perché la struttura bidimensionale del foglio confina gli elettroni in orbita attorno al MoS 2 molecole ad un numero limitato di stati energetici.
MoS 2 , come tutti i semiconduttori emettitori di luce, è quello che viene chiamato un materiale a banda proibita diretta. Quando si aggiunge energia al materiale, o da una "pompa" laser o come corrente elettrica, spinge alcuni degli elettroni che orbitano attorno alle molecole in stati energetici più elevati. Quando gli elettroni ricadono nel loro stato iniziale, emettono la loro energia in eccesso sotto forma di luce.
In un monostrato di MoS 2 , gli elettroni eccitati non possono sfuggire al piano definito dal reticolo cristallino del materiale:a causa della geometria del cristallo, gli unici stati energetici a loro disposizione per saltare oltre la soglia di emissione della luce. Ma in MoS . multistrato 2 , gli strati adiacenti offrono stati di energia inferiore, sotto la soglia, e un elettrone eccitato cercherà sempre l'energia più bassa che riesce a trovare.
Attenzione al divario
Quindi, mentre i ricercatori sapevano che ruotare gli strati di MoS 2 dovrebbe alterare la lunghezza d'onda della luce emessa, non erano affatto certi che la luce sarebbe stata abbastanza intensa per l'uso nell'optoelettronica. Come risulta, però, la rotazione degli strati l'uno rispetto all'altro altera la geometria del cristallo quanto basta per preservare la banda proibita. La luce emessa non è così intensa come quella prodotta da un monostrato di MoS 2 , ma è certamente abbastanza intenso per l'uso pratico e significativamente più intenso di quello prodotto dalla maggior parte delle tecnologie concorrenti.
I ricercatori sono stati in grado di caratterizzare con precisione la relazione tra le geometrie degli strati ruotati e la lunghezza d'onda e l'intensità della luce emessa. "Per diversi angoli di torsione, la separazione effettiva tra i due strati è diversa, quindi l'accoppiamento tra i due strati è diverso, " Huang spiega. "Questo interferisce con le densità di elettroni nel sistema a doppio strato, che ti dà una fotoluminescenza diversa." Questa caratterizzazione teorica dovrebbe rendere molto più facile prevedere se altri composti di metalli di transizione mostreranno un'emissione di luce simile.
"Questa cosa è qualcosa di veramente nuovo, "dice Fengnian Xia, un assistente professore di ingegneria elettrica alla Yale University. "Ti dà un nuovo modello per la messa a punto."
"I expected that this kind of angle adjustment would work, but I didn't expect that the effect would be so huge, " Xia adds. "They get quite significant tuning. That's a little bit surprising."
Xia believes that compounds made from other transition metals, such as tungsten disulfide or tungsten diselenide, could ultimately prove more practical than MoS 2 . But he agrees that the MIT and RPI researchers' theoretical framework could help guide future work. "They use density-functional theory, " he says. "That's a kind of general theory that can be applied to other materials also."
Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.
