В больших масштабах передача данных с помощью света давно стала обычным делом: например, стекловолоконные кабели в качестве световодов передают телефонные и интернет-сигналы. Чтобы использовать преимущества света, то есть скорость и энергоэффективность, в том числе и в небольших компьютерных микросхемах, исследователи KIT сделали важный шаг от фундаментальных исследований к применению. Путем интеграции мельчайших углеродных нанотрубок в наноструктурированный волновод они разработали компактный миниатюрный переключающий элемент, который преобразует электрические сигналы в четко определенные оптические сигналы.«Наноструктуры действуют как фотонный кристалл и позволяют настраивать свойства света от углеродной нанотрубки», — объясняют Феликс Пятков и Валентин Футтерлинг, первые авторы исследования Института нанотехнологий KIT. «Таким образом, мы можем генерировать узкополосный свет желаемого цвета на микросхеме».
Обработка волновода точно определяет длину волны, на которой передается свет. Благодаря гравировке с использованием электронно-лучевой литографии, волноводы длиной в несколько микрометров снабжены тончайшими полостями размером в несколько нанометров. Они определяют оптические свойства волновода. Полученные фотонные кристаллы отражают свет определенных цветов — явление, наблюдаемое в природе на явно разноцветных крыльях бабочки.
В качестве новых источников света углеродные нанотрубки длиной около 1 мкм и диаметром 1 нм размещаются на металлических контактах поперек волновода. В KIT был разработан процесс, с помощью которого нанотрубки могут быть специально интегрированы в очень сложные структуры.
Исследователи применили метод диэлектрофореза для осаждения углеродных нанотрубок из раствора и их расположения вертикально к волноводу. Этот способ разделения частиц с использованием неоднородных электрических полей первоначально использовался в биологии и хорошо подходит для нанесения наноразмерных объектов на материалы-носители. Углеродные нанотрубки, интегрированные в волновод, действуют как небольшой источник света. При приложении электрического напряжения они производят фотоны.
Представленный компактный преобразователь сигналов электричества / света отвечает требованиям следующего поколения компьютеров, в которых электронные компоненты сочетаются с нанофотонными волноводами. Преобразователь сигналов направляет свет так же сильно, как лазер, и реагирует на переменные сигналы с высокой скоростью.
Уже сейчас разработанные исследователями оптоэлектронные компоненты могут быть использованы для создания световых сигналов в диапазоне частот гигагерца из электрических сигналов.Среди ведущих исследователей, участвовавших в проекте, были Ральф Крупке, который проводит исследования в Институте нанотехнологий KIT и Институте материаловедения Дармштадтского технического университета, Вольфрам Х.П. Пернис, который год назад перешел из KIT в Мюнстерский университет, и Манфред М. Каппес из Института физической химии и Института нанотехнологий KIT. Проект финансировался программой «Наука и технология наносистем» (STN) Ассоциации Гельмгольца.
Он направлен на изучение наносистем с уникальной функциональностью и возможностей материалов с структурным размером в несколько нанометров. Фонд Volkswagen профинансировал докторскую степень. место студента для исследовательского проекта.
Кроме того, проект был поддержан платформой Karlsruhe Nano Micro Facility (KNMF).