Eine unerwartete Antenne für Nano-Lichtquellen

Auf dem schnellen Schalten und Modulieren von Licht beruht unter anderem die moderne Daten¨¹bertragung, bei der Informationen in Form modulierter Lichtstrahlen durch Glasfasern geschickt werden. Lichtmodulatoren k?nnen schon seit einigen Jahren miniaturisiert und in Chips integriert werden, doch die Lichtquellen selbst ¨C Leuchtdioden (LED) oder Laser ¨C machen den Ingenieur:innen noch Probleme. Forschende der ETH Z¨¹rich unter der Leitung von Lukas Novotny, Professur f¨¹r Photonik, haben nun gemeinsam mit Kolleg:innen der Empa in D¨¹bendorf und des ICFO ¨C Institute of Photonic Sciences in Barcelona einen neuen Mechanismus gefunden, mit dessen Hilfe in Zukunft winzig kleine, aber dennoch effiziente Lichtquellen hergestellt werden k?nnten. Die Ergebnisse ihrer Forschungen wurden k¨¹rzlich im Fachjournal externe Seite Nature Materials ver?ffentlicht.

Das Unerwartete probieren

?Um das zu erreichen, mussten wir zun?chst einmal das Unerwartete probieren?, sagt Novotny. Schon seit einigen Jahren arbeiten er und seine Mitarbeitenden an Mini-Lichtquellen, die auf dem Tunneleffekt basieren. Zwischen zwei Elektroden (in diesem Fall aus Gold und Graphen), die durch ein isolierendes Material getrennt sind, k?nnen Elektronen nach den Regeln der Quantenmechanik tunneln. Unter bestimmten Umst?nden ¨C wenn der Tunnelvorgang inelastisch ist, die Energie der Elektronen also nicht erhalten bleibt ¨C kann dabei Licht entstehen.  

?Leider ist die Ausbeute dieser Lichtquellen gering, da die Abstrahlung sehr ineffizient ist?, erkl?rt Postdoktorand Sotirios Papadopoulos. Das Abstrahlungsproblem ist in anderen Gebieten der Technik wohlbekannt. In Mobiltelefonen etwa sind die Chips, welche die zur ?bertragung n?tigen Mikrowellen erzeugen, nur einige Millimeter gross. Die Mikrowellen selbst dagegen haben eine Wellenl?nge von etwa 20 Zentimetern und sind damit fast hundert Mal gr?sser als der Chip. Um diesen Gr?ssenunterschied zu ¨¹berbr¨¹cken, braucht es eine Antenne (die allerdings bei modernen Telefonen von aussen nicht mehr sichtbar ist). Auch in den Experimenten der Z¨¹rcher Forschenden ist die Lichtwellenl?nge viel gr?sser als die Lichtquelle.

Halbleiter ausserhalb des Tunnelkontakts

?Nun k?nnte man meinen, wir h?tten bewusst nach einer Antennenl?sung gesucht ¨C aber so war es nicht?, sagt Papadopoulos. Wie schon andere Gruppen vor ihnen untersuchten die Forscher ein Atom dicke Schichten aus Halbleitermaterialien wie Wolframdisulfid, die zwischen den Elektroden der Tunnelbarriere liegen, um auf diese Weise Licht zu erzeugen. Im Prinzip w¨¹rde man vermuten, dass sich die optimale Position daf¨¹r irgendwo zwischen den beiden Elektroden befindet, vielleicht etwas n?her an einer als an der anderen. Stattdessen probierten sie etwas ganz Anderes und brachten den Halbleiter oberhalb der Graphen-Elektrode auf - also komplett ausserhalb des Tunnelkontakts.

?berraschende Antennenwirkung

?berraschenderweise funktionierte diese eigentlich widersinnige Position sehr gut. Warum das so war, fanden die Forschenden heraus, indem sie die an den Tunnelkontakt angelegte Spannung variierten und den Strom durch den Tunnelkontakt massen. Dabei sahen sie eine deutliche Resonanz, die mit einer so genannten Exziton-Resonanz des Halbleitermaterials ¨¹bereinstimmte. Exzitonen bestehen aus einem positiv geladenem Loch, also einem fehlenden Elektron, und einem durch das Loch gebundenen Elektron und k?nnen unter anderem durch Lichteinstrahlung angeregt werden. Die Exziton-Resonanz zeigte klar, dass der Halbleiter nicht direkt durch Ladungstr?ger angeregt wurde ¨C schliesslich flossen ja keine Elektronen durch ihn -, sondern dass er die im Tunnelkontakt erzeugte Energie aufnahm und dann abstrahlte. Er wirkte also ?hnlich wie eine Antenne.

Anwendung in Nano-Lichtquellen

?Noch ist diese Antenne allerdings nicht sehr gut, da im Halbleiter so gennannte dunkle Exzitonen entstehen und daher nicht viel Licht abgestrahlt wird?, r?umt Novotny ein: ?Das zu verbessern, ist unsere Bastelarbeit f¨¹r die n?chste Zeit.? Gelingt es, die Lichtabstrahlung durch den Halbleiter effizienter zu machen, so sollte es m?glich sein, Lichtquellen herzustellen, die nur wenige Nanometer gross sind und damit tausendmal kleiner als die Wellenl?nge des von ihnen erzeugten Lichts. Dadurch, dass keine Elektronen durch den Antennen-Halbleiter fliessen, gibt es keine unerw¨¹nschten Effekte, die normalerweise an Grenzfl?chen auftreten und die Effizienz schm?lern k?nnen. ?In jedem Fall haben wir hier eine T¨¹r zu neuen Anwendungen aufgestossen?, so Novotny. Das Unerwartete zu probieren hat sich also gelohnt.