Illustrazione di un dispositivo di dimensioni nanometriche costituito da due cristalli singoli d'argento uniti che generano luce mediante tunneling elettronico anelastico. Credito:Steven Bopp, Università della California - San Diego
Utilizzando tecniche di fabbricazione avanzate, gli ingegneri dell'Università della California a San Diego hanno costruito un dispositivo di dimensioni nanometriche con cristalli d'argento in grado di generare luce "tunnelando" in modo efficiente gli elettroni attraverso una minuscola barriera. Il lavoro avvicina la ricerca plasmonica alla realizzazione di sorgenti luminose ultracompatte per l'alta velocità, elaborazione ottica dei dati e altre applicazioni su chip.
L'opera è pubblicata il 23 luglio in Fotonica della natura .
Il dispositivo emette luce grazie a un fenomeno quantomeccanico noto come tunneling elettronico anelastico. In questo processo, gli elettroni si muovono attraverso una barriera solida che non possono classicamente attraversare. E durante l'attraversamento, gli elettroni perdono parte della loro energia, creando fotoni o fononi nel processo.
I ricercatori della plasmonica si sono interessati all'utilizzo del tunneling elettronico anelastico per creare sorgenti luminose estremamente piccole con un'ampia larghezza di banda di modulazione. Però, perché solo una piccola frazione di elettroni può tunnel in modo anelastico, l'efficienza dell'emissione di luce è tipicamente bassa, dell'ordine di pochi centesimi di percento, al massimo.
Gli ingegneri della UC San Diego hanno creato un dispositivo che aumenta l'efficienza fino a circa il due percento. Anche se questo non è ancora abbastanza alto per l'uso pratico, è il primo passo verso un nuovo tipo di sorgente luminosa, disse Zhaowei Liu, un professore di ingegneria elettrica e informatica presso la UC San Diego Jacobs School of Engineering.
"Stiamo esplorando un nuovo modo di generare luce, " disse Liù.
A sinistra:schema della giunzione del tunnel formato da due cuboidi monocristallini d'argento edge-to-edge con una barriera isolante di polivinilpirrolidone (PVP). Il riquadro in alto mostra che i fotoni sono generati attraverso tunneling elettronico anelastico. Le prestazioni del dispositivo possono essere progettate regolando la dimensione dei cuboidi (a, B, C), la dimensione del gap (d), e la curvatura dei bordi del cuboide d'argento. A destra:immagine TEM della giunzione del tunnel, dove il gap è di circa 1,5 nm. Credito:Haoliang Qian/Nature Photonics
Il team di Liu ha progettato il nuovo dispositivo a emissione di luce utilizzando metodi computazionali e simulazioni numeriche. Ricercatori nel laboratorio di Andrea Tao, un professore di nanoingegneria presso la UC San Diego Jacobs School of Engineering, quindi costruito il dispositivo utilizzando tecniche chimiche avanzate basate su soluzioni.
Il dispositivo è una minuscola nanostruttura plasmonica a forma di papillon costituita da due parallelepipedi, singoli cristalli d'argento uniti in un angolo. A collegare gli angoli c'è una barriera di isolante larga 1,5 nanometri costituita da un polimero chiamato polivinilpirrolidone (PVP).
Questa minuscola giunzione metallo-isolante-metallo (argento-PVP-argento) è dove si verifica l'azione. Gli elettrodi collegati ai nanocristalli consentono di applicare tensione al dispositivo. Mentre gli elettroni passano da un angolo di un nanocristallo d'argento attraverso la minuscola barriera PVP, trasferiscono energia ai polaritoni plasmonici di superficie, onde elettromagnetiche che viaggiano lungo l'interfaccia metallo-isolante, che poi convertono quell'energia in fotoni.
Ma ciò che rende questa particolare giunzione più efficiente nell'incanalare gli elettroni in modo anelastico è la sua geometria e le dimensioni estremamente ridotte. Unendo due cristalli singoli d'argento insieme ai loro angoli con una minuscola barriera di isolante in mezzo, i ricercatori hanno essenzialmente creato un'antenna ottica di alta qualità con un'elevata densità locale di stati ottici, con conseguente conversione più efficiente dell'energia elettronica in luce.
Immagini SEM di giunzioni tunnel a base di nanocristalli d'argento cresciute con diverse dimensioni. Credito:Haoliang Qian/Nature Photonics
Le giunzioni metallo-isolante-metallo hanno avuto un'efficienza di emissione di luce così bassa in passato perché sono state costruite unendo cristalli metallici lungo un'intera faccia, piuttosto che un angolo, spiegò Liu. Fornire agli elettroni un'antenna ottica di alta qualità con uno spazio molto più piccolo per il tunnel consente un'emissione di luce efficiente, e questo tipo di struttura è stato difficile da fabbricare con i metodi di nanolitografia utilizzati in passato, Egli ha detto.
"Usando la chimica, possiamo costruire queste precise giunzioni nanometriche che consentono un'emissione di luce più efficiente, " ha detto Tao. "Le tecniche di fabbricazione che usiamo ci danno il controllo a livello atomico dei nostri materiali:possiamo dettare la dimensione e la forma dei cristalli in soluzione in base ai reagenti che usiamo, e possiamo creare strutture che hanno facce atomicamente piatte e angoli estremamente acuti".
Con lavoro aggiuntivo, il team mira a incrementare ulteriormente l'efficienza di un altro ordine di grandezza superiore. Stanno esplorando diverse geometrie e materiali per studi futuri.
