Silicio, un materiale semiconduttore, rivela nuovi talenti se ridotti a dimensioni nanoscopiche. Lo ha dimostrato un team congiunto dell'HZB Institute of Nanoarchitectures for Energy Conversion e del Max Planck Institute for the Science of Light (MPL). I nanoconi di silicio generano una luminescenza infrarossa 200 volte maggiore rispetto a nanocolonne di dimensioni comparabili quando eccitati dalla luce visibile. La modellazione e i risultati sperimentali mostrano che a causa della loro geometria, i coni sono in grado di sostenere le cosiddette modalità di galleria sussurrante a lunghezze d'onda infrarosse che possono intensificare la luminescenza del silicio. Sono possibili nuove applicazioni, compresi i nanolaser a base di silicio.

Il silicio è un materiale convenzionale per i chip dei computer e le celle solari. Però, anche se le proprietà del silicio sono ben note, le nanostrutture riservano ancora sorprese. Un team guidato dal Prof. Silke Christiansen presso l'HZB Institute of Nanoarchitectures for Energy Conversion insieme al Max Planck Institute for the Science of Light (MPL) ha mostrato per la prima volta come si comporta la luce in un nanocono di silicio. Le loro simulazioni numeriche ed esperimenti ora dimostrano perché questa geometria rastremata è in grado di emettere luminescenza eccitata otticamente molto meglio delle nanocolonne di dimensioni comparabili. "I coni funzionano come file di minuscole gallerie sussurrate, non per il suono, ma piuttosto per la luce", spiega Sebastian Schmitt, primo autore.

Forte luminescenza nei nanoconi

Schmitt e il suo collega George Sarau hanno irradiato singole nanocolonne e nanoconi di silicio utilizzando luce laser rossa (660 nanometri) e misurato la radiazione che è stata successivamente emessa come luminescenza dal campione. È noto che la luminescenza nel silicio (senza alcuna nanostrutturazione) è normalmente molto bassa perché gli elettroni eccitati difficilmente si ricombinano radiativamente in questo materiale (band gap indiretto). In contrasto, le nanostrutture convertono una porzione molto maggiore della luce incidente in radiazione elettromagnetica nella regione del vicino infrarosso. Questo effetto nei nanoconi è 200 volte più forte che nelle nanocolonne. "Questo è il guadagno di luminescenza più alto mai misurato in una struttura di silicio", dice Schmitt.

Modalità galleria dei sussurri

Il team può anche spiegare perché è così. La propagazione delle onde elettromagnetiche in varie geometrie dei nanofili di silicio può essere calcolata utilizzando la modellazione numerica. Poiché il diametro del nanocono cambia con l'altezza, ci sono diversi livelli in cui la luce infrarossa si sovrappone costruttivamente per formare onde stazionarie. Questa amplificazione facilita una maggiore eccitazione degli elettroni e quindi il rilascio di luminescenza. Questo fenomeno è noto come effetto Purcell nel campo. Se una sorgente luminosa si trova in un risonatore ottico, l'emissione spontanea di luce aumenta. I nanoconi agiscono come risonatori eccezionali, come gallerie ottiche sussurrate per la luce.

Regole di progettazione per nuovi dispositivi

"Questi tipi di nanostrutture fatte di singoli coni non sono difficili da fabbricare", spiega Schmitt. Sarebbero facilmente integrati come nuovi componenti nelle tecniche di fabbricazione di semiconduttori CMOS predominanti utilizzate per i diodi, interruttori optoelettronici, e sensori ottici, Per esempio. Queste strutture potrebbero persino produrre luce laser in combinazione con un mezzo otticamente attivo adatto, suppone il fisico. "Possiamo derivare semplici regole di progettazione per nanostrutture di semiconduttori con questo tipo di conoscenza per esercitare il controllo sul numero e sulle lunghezze d'onda dei modi ospitati e quindi controllare la luminescenza", dice Christiansen.