Дослідники створили кремнієвий елемент, що випромінює світло у видимому діапазоні
Кремнієвий світловипромінюючий елемент є одним з каменів спотикання в області створення фотонних систем на основі кремнію, над розробкою яких працюють компанії IBM, Intel, Luxtera та інші відомі компанії. Такі системи зможуть забезпечити високі швидкості передачі інформації між різними ділянками одного чіпа мікропроцесора і різними вузлами обчислювальної системи, що дозволить подолати вузьке місце, пов'язане з фізичними обмеженнями на ширину смуги пропускання, які накладає використання мідних провідників. Зараз у фотонних пристроях використовують джерела світла на основі напівпровідників III - V групи, таких як арсенід галію і фосфід індію, що викликає масу технологічних проблем, обумовлених несумісністю різних матеріалів. Використання ж кремнієвих джерел світла дозволить виготовляти фотонні пристрої з застосуванням традиційної CMOS-технології виробництва напівпровідників, відточеною до досконалості за час багаторічного її використання.
Тепер, завдяки зусиллям команди вчених-матеріалознавців з університету Пенсільванії (University of Pennsylvania, UPenn), з'явився перший у світі кремнієвий джерело світла, який відкриває величезні перспективи в області створення фотонно-електронних пристроїв. "Це є першою демонстрацією оптичного кремнієвого приладу, що випромінює світло у видимому діапазоні" - розповідає Рітеш Агаруол (Ritesh Agarwal), голова дослідницької групи Nanoscale Phase-Change and Photonics університету Пенсільванії.
Однією з основних проблем при створенні кремнієвих джерел світла є те, що кремній принципово не бажає випромінювати світло. На відміну від арсеніду галію або фосфіду індію, у кремнію є якась заборонена зона, що означає, що при "зустрічі" збудженого електрона і електронного дірки, під час їх "анігіляції" надлишки енергії будуть виділені не у вигляді фотона світла, а у вигляді теплової енергії.
Для подолання зазначеної проблеми дослідницька група звернула увагу на плазмонні ефекти. Світло, що падає на поверхню металу в місці його контакту з діелектриком, таких як діоксид кремнію, створює так звані поверхневі плазмоны, електромагнітні коливання, що створюються коливаннями вільних електронів, які можуть зрушити область забороненої зони в потрібну сторону. Для створення плазмонного ефекту дослідники покрили кремнієві нанопроводники 5-нанометровим шаром діоксиду кремнію і зміцнили утворилася структуру на скляному підставі. Після цього на основу і на кремнієвий нанопроводник було завдано 100-нанометровий шар срібла. Срібло покрила весь нанопроводник за винятком місця його контакту зі скляною основою, формуючи покриття, яке в перерізі нагадує грецьку букву омега. Область контакту срібла і діоксиду кремнію стала областю, яка виступала в ролі свого роду підсилювача світла.
Після цього дослідники сфокусували на нанопроводнике світло синього лазера з довжиною хвилі 458 нанометрів і виміряли довжину хвилі світла, що виходить з торців нанопроводника. Плазмонний ефект змусив збуджені електрони кремнію, стикаючись з електронними дірками, випускати фотони світла замість того, щоб виділяти енергію у вигляді тепла. Довжина хвилі випромінюваного при цьому світла лежала в діапазоні від 470 до 700 нанометрів.
Дана розробка знаходиться ще на ранній стадії дослідникам доведеться виконати масу роботи для того, щоб зробити можливим її практичне застосування. В першу чергу їм потрібно буде збільшити ефективність роботи до 5-10 відсотків, замість того 1 відсотка, який демонструє перший зразок кремнієвого світло випромінюючого пристрою. Крім цього, кремнієве пристрій випромінює розсіяне світло досить широкого спектру, але дослідники сподіваються в недалекому майбутньому на основі розроблених принципів створити кремнієвий напівпровідниковий лазер, який буде випромінювати монохроматичне і когерентний світло, використовуючи в якості накачування електричний струм, а не світло від іншого лазера.