Сильное свечение в наноконусахШмитт и его коллега Джордж Сарау облучали отдельные кремниевые наноколонки и наноконусы красным лазером (660 нанометров) и измерили излучение, которое впоследствии испускалось образцом в виде люминесценции. Известно, что люминесценция в кремнии (без какого-либо наноструктурирования) обычно очень мала, потому что возбужденные электроны редко рекомбинируют излучательным образом в этом материале (непрямая запрещенная зона).
Напротив, наноструктуры преобразуют гораздо большую часть падающего света в электромагнитное излучение в ближней инфракрасной области. Этот эффект в наноконусах в 200 раз сильнее, чем в наноколонках. «Это самый высокий коэффициент усиления люминесценции, когда-либо измеренный в кремниевой структуре», — говорит Шмитт.
Моделирование демонстрирует режимы галереи шепотомКоманда также может объяснить, почему это так.
Распространение электромагнитных волн в кремниевых нанопроводах различной геометрии можно рассчитать с помощью численного моделирования. Поскольку диаметр наноконуса изменяется с высотой, существует несколько уровней, на которых инфракрасный свет конструктивно накладывается друг на друга, образуя стоячие волны. Это усиление способствует усиленному возбуждению электронов и, следовательно, высвобождению люминесценции.
Это явление известно как эффект Перселла в этой области. Если источник света расположен в оптическом резонаторе, спонтанное излучение света увеличивается.
Наноконусы действуют как выдающиеся резонаторы, как оптические галереи шепота для света.Правила проектирования для новых устройств«Эти типы наноструктур, состоящих из отдельных конусов, несложно изготовить», — объясняет Шмитт. Их можно было бы легко интегрировать в качестве новых компонентов в преобладающие технологии производства полупроводников КМОП, используемые, например, для диодов, оптоэлектронных переключателей и оптических датчиков.
Эти структуры могут даже излучать лазерный свет в сочетании с подходящей оптически активной средой, предполагает физик. «Мы можем вывести простые правила проектирования полупроводниковых наноструктур, обладая такими знаниями, чтобы осуществлять контроль над числом и длинами волн размещенных мод и, таким образом, контролировать люминесценцию», — говорит Кристиансен.