Silicio, un material semiconductor, revela nuevos talentos cuando se reduce a dimensiones nanoscópicas. Un equipo conjunto del Instituto HZB de Nanoarquitecturas para la Conversión de Energía y el Instituto Max Planck para la Ciencia de la Luz (MPL) lo ha demostrado. Las nanoconas de silicio generan 200 veces más luminiscencia infrarroja que las nanocolumnas de tamaño comparable cuando se excitan con luz visible. El modelado y los resultados experimentales muestran que debido a su geometría, Los conos son capaces de sostener lo que se conoce como modos de galería susurrantes en longitudes de onda infrarrojas que pueden intensificar la luminiscencia del silicio. Son concebibles nuevas aplicaciones, incluidos los nanoláseres a base de silicio.

El silicio es un material convencional para chips de computadora y células solares. Sin embargo, aunque las propiedades del silicio son bien conocidas, las nanoestructuras aún ofrecen sorpresas. Un equipo encabezado por la profesora Silke Christiansen en el Instituto HZB de Nanoarquitecturas para la Conversión de Energía junto con el Instituto Max Planck para la Ciencia de la Luz (MPL) ha demostrado por primera vez cómo se comporta la luz en un nanocone de silicio. Sus simulaciones numéricas y experimentos demuestran ahora por qué esta geometría cónica es capaz de emitir luminiscencia ópticamente excitada mucho mejor que nanocolumnas de tamaño comparable. "Los conos funcionan como conjuntos de pequeñas galerías susurrantes, no para el sonido, sino más bien por la luz ", explica Sebastian Schmitt, Primer autor.

Fuerte luminiscencia en nanoconos

Schmitt y su colega George Sarau irradiaron nanocolumnas y nanoconas de silicio individuales usando luz láser roja (660 nanómetros) y midieron la radiación que posteriormente fue emitida como luminiscencia por la muestra. Se sabe que la luminiscencia en el silicio (sin ninguna nanoestructuración) es normalmente muy baja porque los electrones excitados difícilmente se recombinan radiativamente en este material (banda prohibida indirecta). A diferencia de, las nanoestructuras convierten una porción mucho mayor de la luz incidente en radiación electromagnética en la región del infrarrojo cercano. Este efecto en las nanoconas es 200 veces más fuerte que en las nanocolumnas. "Esta es la ganancia de luminiscencia más alta jamás medida en una estructura de silicio", dice Schmitt.

Modos de galería de susurros

El equipo también puede explicar por qué es así. La propagación de ondas electromagnéticas en diversas geometrías de nanocables de silicio se puede calcular utilizando modelos numéricos. Debido a que el diámetro del nanocono cambia con la altura, hay varios niveles en los que la luz infrarroja se superpone constructivamente para formar ondas estacionarias. Esta amplificación facilita una mayor excitación de electrones y, por tanto, la liberación de luminiscencia. Este fenómeno se conoce como efecto Purcell en el campo. Si una fuente de luz se encuentra en un resonador óptico, aumenta la emisión espontánea de luz. Los nanoconos actúan como resonadores sobresalientes, como galerías de susurros ópticos para la luz.

Reglas de diseño para dispositivos novedosos

"Este tipo de nanoestructuras hechas de conos individuales no son difíciles de fabricar", explica Schmitt. Se integrarían fácilmente como nuevos componentes en las técnicas de fabricación de semiconductores CMOS predominantes que se utilizan para los diodos. interruptores optoelectrónicos, y sensores ópticos, por ejemplo. Estas estructuras podrían incluso producir luz láser junto con un medio ópticamente activo adecuado, el físico conjetura. "Podemos derivar reglas de diseño simples para nanoestructuras de semiconductores con este tipo de conocimiento para ejercer control sobre el número y las longitudes de onda de los modos alojados y así controlar la luminiscencia", dice Christiansen.