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Das Halbleitermaterial Silizium
kann mit Hilfe von Nanostrukturierung ganz neue Talente entfalten. Dies zeigt
nun ein Team am HZB-Institut „Nanoarchitekturen für die Energieumwandlung“ und
am MPI für die Physik des Lichts. So geben Nanokegel aus Silizium nach Anregung
mit sichtbarem Licht 200mal so viel Infrarotlumineszenz ab wie vergleichbar
große Nanosäulen. Modellierungen und experimentelle Ergebnisse zeigen:
Die Kegel können durch ihre Geometrie Flüstergalerie-Moden für Infrarotwellen
beherbergen, die die Silizium-Lumineszenz verstärken. Neue Anwendungen bis hin
zu Nanolasern auf Siliziumbasis sind damit denkbar.
Silizium zählt zu den
Standardmaterialien für Computerchips und Solarzellen. Doch obwohl die
Eigenschaften von Silizium sehr gut bekannt sind, gibt es bei
Nanostrukturen doch Überraschungen. So hat nun ein Team um Prof. Dr. Silke
Christiansen am HZB-Institut ‘ Nanoarchitekturen für die Energieumwandlung‘
sowie am MPI für die Physik des Lichts erstmals gezeigt, wie sich Licht in
einem Nanokegel aus Silizium verhält. Ihre Modellrechnungen und
Experimente zeigen nun, warum diese geometrischen Strukturen weitaus
besser als beispielsweise vergleichbar große Nanosäulen optisch zur Lumineszenz
angeregt werden können. „Die Kegel wirken wie Flüstergalerien, nur nicht für
Schall, sondern für Licht“, erklärt der Erstautor der Studie Sebastian Schmitt.
Starke Lumineszenz in den
Nanokegeln
Im Experiment bestrahlten Schmitt
und sein Kollege George Sarau einzelne Nanosäulen und Nanokegel aus Silizium
mit rotem Laserlicht (660 Nanometer) und ermittelten die Strahlung, die
die Probe als Lumineszenz zurückgab. Ohne Nanostrukturierung ist die
Lumineszenz in Silizium sehr gering, da eine Anregung mit sichtbarem Licht in
der Regel nicht dazu führt, dass Elektronen unter Abgabe von Infrarotlicht auf
ihr ursprüngliches Niveau zurückfallen (indirekte Bandlücke). Die
Nanostrukturen dagegen wandeln einen weitaus größeren Teil des eingestrahlten
Lichts in elektromagnetische Strahlung im nahen Infrarotbereich um, und dieser
Effekt ist in den Nanokegeln 200mal stärker als in den Nanosäulen. „Dies ist
die höchste Lumineszenz-Verstärkung, die je in einer Siliziumstruktur gemessen
wurde“, sagt Schmitt.
Flüstergalerien für das Licht
Dies kann das Team auch gut
erklären: Denn mit numerischen Modellen lässt sich die Ausbreitung von
elektromagnetischen Wellen in den verschiedenen Geometrien einer
Silizium-Nanostruktur berechnen. Dabei zeigt sich: Weil der Querschnitt im
Nanokegel mit der Höhe zunimmt, gibt es mehrere Ebenen, in denen sich das
Infrarotlicht konstruktiv überlagert und verstärkt, es bilden sich stehende
Wellen aus, die eine erhöhte Anregung von Elektronen und damit Abgabe von
Lumineszenz ermöglichen. Dieser Effekt ist in Fachkreisen als Purcell-Effekt
bekannt: Wenn sich eine Lichtquelle in einem optischen Resonator befindet,
steigt die spontane Emission von Licht an. Die Nanokegel sind demnach
hervorragende Resonatoren, eben optische Flüstergalerien für das Licht.
Designregeln für Nanostrukturen
„Solche Nanostrukturen aus
einzelnen Kegeln sind nicht schwierig herzustellen“, erklärt Schmitt. Als neue
Bauelemente wären sie sehr gut in die vorherrschenden
CMOS-Halbleitertechnologien integrierbar, zum Beispiel als Dioden,
optoelektronische Schalter und Lichtsensoren. In Verbindung mit einem
geeigneten optisch aktiven Medium könnten diese Strukturen sogar Laserlicht
produzieren, vermuten die Physiker. „Wir können aus solchen Erkenntnissen
einfache Design-Regeln für Halbleiternanostrukturen ableiten, um die Anzahl und
Wellenlängen der gespeicherten Moden zu kontrollieren und damit auch die
Lumineszenz“, sagt Silke Christiansen.
Die Arbeit ist im renommierten Fachjournal Scientific Reports erschienen. DOI: 10.1038/srep17089
"Observation of strongly enhanced photoluminescence from inverted cone-shaped silicon nanostuctures"
Sebastian W. Schmitt, George Sarau & Silke Christiansen
Die Arbeit ist im renommierten Fachjournal Scientific Reports erschienen. DOI: 10.1038/srep17089
"Observation of strongly enhanced photoluminescence from inverted cone-shaped silicon nanostuctures"
Sebastian W. Schmitt, George Sarau & Silke Christiansen
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Nanostrukturen aus Silizium unter dem Rasterelektronenmikroskop.
Der Durchmesser der Nanosäule beträgt 570 nm. Der Nanokegel
dagegen verjüngt sich von seinem oberen Durchmesser
940 nm bis zu 360 nm an der Basis. Bild: MPL
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| Eine Infrarotkamera erfasst die Lumineszenz (Abgabe von Licht) nach der optischen Anregung der beiden Nanostrukturen. Bild: MPL |
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| Die Energiedichte des Lumineszenzlichts (hier 1027 nm) im Querschnitt der Nanostrukturen lässt sich numerisch modellieren. Nur im Nanokegel entstehen Flüstergalerie-Moden. Dadurch ist die Lumineszenz 200 mal stärker als in Nanosäulen. Bild: MPL |
Hinweis: Auf Nachfrage erhalten Sie
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Weitere Informationen:
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Prof. Dr. Silke Christiansen
Sebastian Schmitt
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Pressestelle
Dr. Antonia Rötger
Tel.: +49 (0)30-8062-43733
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