Los investigadores del MIT depositaron capas triangulares de disulfuro de molibdeno sobre un sustrato de silicio. A la izquierda las regiones resaltadas en azul indican dónde se superponen las capas.
Chips que usan luz en lugar de electricidad, mover datos consumiría mucha menos energía, y la eficiencia energética es una preocupación creciente a medida que aumenta el número de transistores de chips.
De los tres componentes principales de los circuitos ópticos:emisores de luz, moduladores, y detectores:los emisores son los más difíciles de construir. Una fuente de luz prometedora para chips ópticos es el disulfuro de molibdeno (MoS 2 ), que tiene excelentes propiedades ópticas cuando se deposita como un solo, capa de un átomo de espesor. Otros emisores de luz experimentales en chip tienen geometrías tridimensionales más complejas y utilizan materiales más raros, lo que los haría más difíciles y costosos de fabricar.
En el próximo número de la revista Nano letras , investigadores de los departamentos de Física y de Ingeniería Eléctrica e Informática del MIT Ciencias describirá una nueva técnica para construir MoS 2 emisores de luz sintonizados en diferentes frecuencias, un requisito esencial para los chips optoelectrónicos. Dado que también se pueden modelar películas delgadas de material sobre láminas de plástico, el mismo trabajo podría apuntar hacia delgado, flexible, brillante, pantallas a color.
Los investigadores también proporcionan una caracterización teórica de los fenómenos físicos que explican la sintonización de los emisores, lo que podría ayudar en la búsqueda de materiales candidatos aún mejores. El molibdeno es uno de varios elementos, agrupados en la tabla periódica, conocidos como metales de transición. "Hay toda una familia de metales de transición, "dice la profesora emérita del Instituto Mildred Dresselhaus, el autor correspondiente en el nuevo artículo. "Si lo encuentra en uno, entonces te da un incentivo para verlo en toda la familia ".
Junto a Dresselhaus en el artículo están los primeros autores conjuntos Shengxi Huang, un estudiante de posgrado en ingeniería eléctrica e informática, y Xi Ling, un postdoctorado en el Laboratorio de Investigación de Electrónica; profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática Jing Kong; y Liangbo Liang, Humberto Terrones, y Vincent Meunier del Instituto Politécnico Rensselaer.
Monocapa:con un toque
La mayoría de los sistemas de comunicaciones ópticas, como las redes de fibra óptica que brindan servicios de Internet y TV a muchas personas, maximizan el ancho de banda al codificar diferentes datos en diferentes frecuencias ópticas. Por lo tanto, la sintonización es crucial para aprovechar todo el potencial de los chips optoelectrónicos.
Las líneas punteadas a la izquierda delinean diferentes capas de disulfuro de molibdeno, cuya orientación relativa determina la longitud de onda de la luz que emiten.
Los investigadores del MIT ajustaron sus emisores depositando dos capas de MoS 2 sobre un sustrato de silicio. Las capas superiores se rotaron en relación con las capas inferiores, y el grado de rotación determinaba la longitud de onda de la luz emitida.
Ordinariamente, MoS 2 es un buen emisor de luz solo en monocapas, o láminas de un átomo de espesor. Como explica Huang, Eso es porque la estructura bidimensional de la hoja confina los electrones que orbitan el MoS 2 moléculas a un número limitado de estados de energía.
MoS 2 , como todos los semiconductores emisores de luz, es lo que se llama material de banda prohibida directa. Cuando se agrega energía al material, ya sea por una "bomba" láser o como una corriente eléctrica, impulsa a algunos de los electrones que orbitan las moléculas a estados de mayor energía. Cuando los electrones vuelven a su estado inicial, emiten su exceso de energía en forma de luz.
En una monocapa de MoS 2 , los electrones excitados no pueden escapar del plano definido por la red cristalina del material:debido a la geometría del cristal, los únicos estados de energía disponibles para ellos para saltar a cruzar el umbral de emisión de luz. Pero en MoS multicapa 2 , las capas adyacentes ofrecen estados de menor energía, por debajo del umbral, y un electrón excitado siempre buscará la energía más baja que pueda encontrar.
Cuidado con la brecha
Entonces, aunque los investigadores sabían que la rotación de las capas de MoS 2 debe alterar la longitud de onda de la luz emitida, de ninguna manera estaban seguros de que la luz fuera lo suficientemente intensa para su uso en optoelectrónica. Como resulta, sin embargo, la rotación de las capas entre sí altera la geometría del cristal lo suficiente como para preservar la banda prohibida. La luz emitida no es tan intensa como la producida por una monocapa de MoS 2 , pero ciertamente es lo suficientemente intenso para un uso práctico, y significativamente más intenso que el producido por la mayoría de las tecnologías rivales.
Los investigadores pudieron caracterizar con precisión la relación entre las geometrías de las capas rotadas y la longitud de onda y la intensidad de la luz emitida. "Para diferentes ángulos torcidos, la separación real entre las dos capas es diferente, por lo que el acoplamiento entre las dos capas es diferente, "Huang explica." Esto interfiere con las densidades de electrones en el sistema bicapa, lo que le da una fotoluminiscencia diferente ". Esa caracterización teórica debería hacer mucho más fácil predecir si otros compuestos de metales de transición mostrarán una emisión de luz similar.
"Esto es algo realmente nuevo, "dice Fengnian Xia, profesor asistente de ingeniería eléctrica en la Universidad de Yale. "Te da un nuevo modelo para tunear".
"Esperaba que este tipo de ajuste de ángulo funcionara, pero no esperaba que el efecto fuera tan grande, Xia agrega. Obtienen una sintonización bastante significativa. Eso es un poco sorprendente ".
Xia believes that compounds made from other transition metals, such as tungsten disulfide or tungsten diselenide, could ultimately prove more practical than MoS 2 . But he agrees that the MIT and RPI researchers' theoretical framework could help guide future work. "They use density-functional theory, " he says. "That's a kind of general theory that can be applied to other materials also."
Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.
