„Flüstergalerie-Moden“ verstärken Lumineszenz
Nanokegel könnten neue Anwendungen wie Nanolaser auf Siliziumbasis ermöglichen.
Das Halbleitermaterial Silizium kann mit Hilfe von Nanostrukturierung ganz neue Talente entfalten. Dies zeigt nun ein Team vom Helmholtz-Zentrum Berlin und dem Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts. So geben Nanokegel aus Silizium nach Anregung mit sichtbarem Licht ein Vielfaches mehr an Infrarotlumineszenz ab als 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.
Abb.: Der Durchmesser der Nanosäule beträgt 570 Nanometer; der Nanokegel dagegen verjüngt sich von seinem oberen Durchmesser 940 bis zu 360 Nanometer an der Basis. (Bild: MPL)
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 Forscher-Team um Silke Christiansen erstmals dargestellt, wie sich Licht in einem Nanokegel aus Silizium verhält. Seine Modellrechnungen und Experimente zeigen, 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.
Schmitt und sein Kollege George Sarau bestrahlten einzelne Nanosäulen und Nanokegel aus Silizium mit rotem Laserlicht von 660 Nanometern Wellenlänge 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. Dieser Effekt ist in den Nanokegeln zweihundertmal stärker als in den Nanosäulen. „Dies ist die höchste Lumineszenz-Verstärkung, die je in einer Siliziumstruktur gemessen wurde“, sagt Schmitt.
Abb.: Eine Infrarotkamera erfasst die Lumineszenz nach der optischen Anregung der beiden Nanostrukturen. (Bild: MPL)
Das 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 Purcell-Effekt sorgt dafür, dass die spontane Emission von Licht ansteigt, wenn sich die Lichtquelle in einem optischen Resonator befindet. Die Nanokegel sind demnach hervorragende Resonatoren, eben optische Flüstergalerien für das Licht.
„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.
HZB / PH
