(De izquierda a derecha) Eli Yablonovitch, Ali Javey y Hui Fang descubrieron una ley simple de absorción de luz para semiconductores 2D que debería abrir las puertas a nuevas tecnologías optoelectrónicas y fotónicas exóticas. Crédito:Roy Kaltschmidt, Laboratorio de Berkeley
Desde células solares hasta sensores optoelectrónicos, láseres y dispositivos de imágenes, muchas de las tecnologías de semiconductores actuales dependen de la absorción de luz. La absorción es especialmente crítica para estructuras de tamaño nanométrico en la interfaz entre dos barreras de energía llamadas pozos cuánticos. en el que el movimiento de los portadores de carga se limita a dos dimensiones. Ahora, por primera vez, Se ha demostrado una ley simple de absorción de luz para semiconductores 2D.
Trabajando con membranas ultrafinas del semiconductor arseniuro de indio, un equipo de investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) ha descubierto una unidad cuántica de absorción de fotones, que han apodado "A Q , "que debería ser general para todos los semiconductores 2D, incluidos los semiconductores compuestos de la familia III-V que se prefieren para películas solares y dispositivos optoelectrónicos. Este descubrimiento no solo proporciona una nueva perspectiva de las propiedades ópticas de los semiconductores 2D y los pozos cuánticos, también debería abrir las puertas a nuevas y exóticas tecnologías optoelectrónicas y fotónicas.
"Usamos membranas independientes de arseniuro de indio de hasta tres nanómetros de espesor como un sistema de material modelo para sondear con precisión las propiedades de absorción de los semiconductores 2D en función del espesor de la membrana y la estructura de la banda de electrones, "dice Ali Javey, un científico de la facultad en la División de Ciencias de los Materiales de Berkeley Lab y un profesor de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación en la Universidad de California (UC) Berkeley. "Descubrimos que la magnitud de la absortancia escalonada en estos materiales es independiente del grosor y los detalles de la estructura de la banda".
En este estudio de microspectroscopia FTIR, Los espectros de absorción de luz se obtienen a partir de espectros de transmisión y reflexión medidos en los que el ángulo de luz incidente es perpendicular a la membrana. Crédito:Grupo Javey
Javey es uno de los dos autores correspondientes de un artículo que describe esta investigación en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias ( PNAS ). El artículo se titula "Cuántica de absorción óptica en semiconductores bidimensionales". Eli Yablonovitch, un ingeniero eléctrico que también tiene citas conjuntas con Berkeley Lab y UC Berkeley, es el otro autor correspondiente.
Trabajos anteriores han demostrado que el grafeno, una hoja bidimensional de carbono, tiene un valor universal de absorción de luz. Javey, Yablonovitch y sus colegas han descubierto que una ley generalizada similar se aplica a todos los semiconductores 2D. Este descubrimiento fue posible gracias a un proceso único que Javey y su grupo de investigación desarrollaron en el que películas delgadas de arseniuro de indio se transfieren a un sustrato ópticamente transparente. en este caso, fluoruro de calcio.
"Esto nos proporcionó membranas ultrafinas de arseniuro de indio, solo unas pocas celdas unitarias de espesor, que absorben la luz sobre un sustrato que no absorbe luz, "Dice Javey." Entonces pudimos investigar las propiedades de absorción óptica de las membranas que tenían un grosor de entre tres y 19 nanómetros en función de la estructura y el grosor de la banda ".
El arseniuro de indio es un semiconductor III-V con movilidad y velocidad de electrones que lo convierten en un candidato sobresaliente para el futuro de alta velocidad, dispositivos optoelectrónicos de baja potencia.
Utilizando las capacidades de espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR) de Beamline 1.4.3 en la fuente de luz avanzada de Berkeley Lab, una instalación de usuario nacional del DOE, Javey, Yablonovitch y sus coautores midieron la magnitud de la absortancia de la luz en la transición de una banda electrónica a la siguiente a temperatura ambiente. Observaron un aumento discreto paso a paso en cada transición de las membranas de arseniuro de indio con una A Q valor de aproximadamente 1,7 por ciento por paso.
"Esta ley de absorción parece ser universal para todos los sistemas de semiconductores 2D, ", dice Yablonovitch." Nuestros resultados se suman a la comprensión básica de las interacciones electrón-fotón bajo un fuerte confinamiento cuántico y proporcionan una visión única del uso de semiconductores 2D para nuevas aplicaciones fotónicas y optoelectrónicas ".
