Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

„Flüstergalerie-Moden“ in Silizium-Nanokegeln verstärken die Lumineszenz

26.11.2015

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.


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.

MPL


Eine Infrarotkamera erfasst die Lumineszenz (Abgabe von Licht) nach der optischen Anregung der beiden Nanostrukturen.

MPL

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

Weitere Informationen:

http://www.nature.com/articles/srep17089

Dr. Ina Helms | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Neue Anwendungen für Mikrolaser in der Quanten-Nanophotonik
20.07.2018 | Technische Universität Berlin

nachricht Superscharfe Bilder von der neuen Adaptiven Optik des VLT
18.07.2018 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Future electronic components to be printed like newspapers

A new manufacturing technique uses a process similar to newspaper printing to form smoother and more flexible metals for making ultrafast electronic devices.

The low-cost process, developed by Purdue University researchers, combines tools already used in industry for manufacturing metals on a large scale, but uses...

Im Focus: Rostocker Forscher entwickeln autonom fahrende Kräne

Industriepartner kommen aus sechs Ländern

Autonom fahrende, intelligente Kräne und Hebezeuge – dieser Ingenieurs-Traum könnte in den nächsten drei Jahren zur Wirklichkeit werden. Forscher aus dem...

Im Focus: Superscharfe Bilder von der neuen Adaptiven Optik des VLT

Das Very Large Telescope (VLT) der ESO hat das erste Licht mit einem neuen Modus Adaptiver Optik erreicht, die als Lasertomografie bezeichnet wird – und hat in diesem Rahmen bemerkenswert scharfe Testbilder vom Planeten Neptun, von Sternhaufen und anderen Objekten aufgenommen. Das bahnbrechende MUSE-Instrument kann ab sofort im sogenannten Narrow-Field-Modus mit dem adaptiven Optikmodul GALACSI diese neue Technik nutzen, um Turbulenzen in verschiedenen Höhen in der Erdatmosphäre zu korrigieren. Damit ist jetzt möglich, Bilder vom Erdboden im sichtbaren Licht aufzunehmen, die schärfer sind als die des NASA/ESA Hubble-Weltraumteleskops. Die Kombination aus exquisiter Bildschärfe und den spektroskopischen Fähigkeiten von MUSE wird es den Astronomen ermöglichen, die Eigenschaften astronomischer Objekte viel detaillierter als bisher zu untersuchen.

Das MUSE-Instrument (kurz für Multi Unit Spectroscopic Explorer) am Very Large Telescope (VLT) der ESO arbeitet mit einer adaptiven Optikeinheit namens GALACSI. Dabei kommt auch die Laser Guide Stars Facility, kurz ...

Im Focus: Diamant – ein unverzichtbarer Werkstoff der Fusionstechnologie

Forscher am KIT entwickeln Fenstereinheiten mit Diamantscheiben für Fusionsreaktoren – Neue Scheibe mit Rekorddurchmesser von 180 Millimetern

Klimafreundliche und fast unbegrenzte Energie aus dem Fusionskraftwerk – für dieses Ziel kooperieren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weltweit. Bislang...

Im Focus: Wiener Forscher finden vollkommen neues Konzept zur Messung von Quantenverschränkung

Quantenphysiker/innen der ÖAW entwickelten eine neuartige Methode für den Nachweis von hochdimensional verschränkten Quantensystemen. Diese ermöglicht mehr Effizienz, Sicherheit und eine weitaus geringere Fehleranfälligkeit gegenüber bisher gängigen Mess-Methoden, wie die Forscher/innen nun im Fachmagazin „Nature Physics“ berichten.

Die Vision einer vollständig abhörsicheren Übertragung von Information rückt dank der Verschränkung von Quantenteilchen immer mehr in Reichweite. Wird eine...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Stadtklima verbessern, Energiemix optimieren, sauberes Trinkwasser bereitstellen

19.07.2018 | Veranstaltungen

Innovation – the name of the game

18.07.2018 | Veranstaltungen

Wie geht es unserer Ostsee? Ein aktueller Zustandsbericht

17.07.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Neue Anwendungen für Mikrolaser in der Quanten-Nanophotonik

20.07.2018 | Physik Astronomie

Need for speed: Warum Malaria-Parasiten schneller sind als die menschlichen Abwehrzellen

20.07.2018 | Biowissenschaften Chemie

Die Gene sind nicht schuld

20.07.2018 | Medizin Gesundheit

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics