Πρώτο φως από laser πυριτίου

Από σελίδα του PhysicsWeb 22 Νοεμβρίου 2000

Οι φυσικοί βρίσκονται ένα βήμα πιο κοντά στη δημιουργία του πρώτου laser ημιαγωγού φτιαγμένου από πυρίτιο. Μια συσκευή που θα μπορούσε να φέρει επανάσταση στα οπτοηλεκτρονικά, πετυχαίνοντας μια σημαντική εκπομπή ευθυγραμισμένου φωτός από νανοκρυστάλλους πυριτίου. Οι επιστήμονες γνωρίζουν από καιρό ότι το πυρίτιο δεν προσφέρεται για την εκπομπή φωτός. Πρόσφατες όμως πρόοδοι στη νανοτεχνολογία, έδειξαν ότι τα οπτικά χαρακτηριστικά του υλικού εξαρτώνται από το ακριβές σχήμα και τις διαστάσεις των σωματιδίων του πυριτίου. Τώρα ο Lorenzo Pavesi του Πανεπιστημίου του Trento στην Ιταλία και οι συνεργάτες του στο Trento και την Cantania έχουν χρησιμοποιήσει νανοκρυστάλλους πυριτίου για να φτιάξουν μια συσκευή που θα μπορούσε να οδηγήσει σε μια επανάσταση στον τομέα της τεχνολογίας επικοινωνιών. (L. Pavesi κ.ά. Nature 408-440).

Το πυρίτιο, ο κύριος ημιαγωγός στην κατασκευή μικροηλεκτρονικών κυκλωμάτων, έχει στο παρελθόν θεωρηθεί ακατάλληλο για κατασκευή οπτοηλεκτρονικών εφαρμογών επειδή παρουσιάζει έμμεση μετάβαση των ηλεκτρονίων από τη ζώνη σθένους στη κατώτερο ενεργειακό επίπεδο της ζώνης αγωγιμότητας η οποία συνοδεύεται από εμφάνιση φωνονίου στον κρύσταλλο και αυτό έχει ως αποτέλεσμα ελάχιστη μόνο εκπομπή φωτός. Τα laser λοιπόν που υπάρχουν, βασίζονται σε υλικά που παρουσιάζουν άμεση μετάβαση από τη ζώνη σθένους στο κατώτερο επίπεδο της ζώνης αγωγιμότητας όπως πχ το GaAs το οποίο μπορεί εύκολα να εκπέμψει φως. Αυτά τα υλικά όμως είναι ακριβά και δύσκολα επεξεργάσιμα για τη βιομηχανία ηλεκτρονικών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων.

Ο Pavesi και οι συνεργάτες του έκλεισαν νανοκρυστάλλους πυριτίου μεταξύ στρωμάτων οξειδίου του πυριτίου σαν σάντουιτς και διέγειραν το σύστημα με πράσινο φως laser.
Η συσκευή τότε εξέπεμψε μια πολύ εντονότερη δέσμη κόκκινου φωτός η οποία εμφανίζει ένα βαθμό ενίσχυσης όμοιο με τα laser που βασίζονται σε υλικά με “άμεσα ενεργειακά χάσματα”

Η ομάδα του Pavesi πιστεύει ότι η ηλεκτρονική αλληλεπίδραση μεταξύ των νανοκρυστάλλων του πυριτίου και του οξειδίου του πυριτίου στην επιφάνεια επαφής τους οδηγεί σε κάποιες ενδιάμεσες στάθμες ενέργειας από τις οποίες εκπέμπεται το φως και είναι υπεύθυνη για την επιτυχία της συσκευής.

Αυτό σημαίνει ότι κατά την απορρόφηση φωτός από ένα κρύσταλλο πυριτίου τα ηλεκτρόνια που θα εγκαταλείψουν τη ζώνη σθένους δεν θα βρεθούν κατ ευθείαν στο ελάχιστο ενεργειακό επίπεδο όπου συμβαίνει η αναστροφή πληθυσμών για να ακολουθήσει η εκπομπή φωτός laser. Με την απορρόφηση φωτός από το πυρίτιο έχουμε άντληση των ηλεκτρονίων από την υψηλότερη ενεργειακή στάθμη της ζώνης σθένους (HOMO) στην χαμηλότερη ενεργειακή στάθμη της ζώνης αγωγιμότητας (LUMO) σε χρόνους της τάξης των picosec. Στη συνέχεια συμβαίνει ενδιάμεση επιστροφή με ταχείς ρυθμούς της τάξης των νανοδευτερολέπτων στη στάθμη όπου συμβαίνει η αναστροφή των πληθυσμών. Από αυτή τη στάθμη η επιστροφή των ηλεκτρονίων ξανά προς τη HOMO γίνεται αργά σε χρόνους της τάξης των nsec και συνοδεύεται από σημαντική εκπομπή φωτός.
Το φως όμως αυτό δεν είναι συμφασικό- δηλαδή τα φωτόνια δεν έχουν την ίδια φάση- ενώ το συμφασικό φως είναι απαραίτητο για να μιλήσουμε για εκπομπή laser. Εξάλλου ένα εμπορικά εκμεταλλεύσιμο laser πυριτίου θα απαιτούσε να διεγείρεται ηλεκτρικά παρά με κάποιο άλλο laser. Κάτι τέτοιο θα το ενσωμάτωνε εύκολα στα μικροκυκλώματα. Μελλοντικές έρευνες θα εστιαστούν σε διαφορετικές διατάξεις και τοπολογίες των πυριτικών νανοκρυστάλλων, σε μια προσπάθεια να βρεθούν ακόμη πιο δυνατοί μηχανισμοί εκπομπής φωτός.