Ilustración de un dispositivo nanométrico hecho de dos monocristales de plata unidos que generan luz mediante un túnel de electrones no elásticos. Crédito:Steven Bopp, Universidad de California - San Diego
Usando técnicas de fabricación avanzadas, Los ingenieros de la Universidad de California en San Diego han construido un dispositivo de tamaño nanométrico a partir de cristales de plata que pueden generar luz "tunelizando" electrones de manera eficiente a través de una pequeña barrera. El trabajo acerca la investigación de plasmónicos un paso más hacia la realización de fuentes de luz ultracompactas para alta velocidad, procesamiento de datos ópticos y otras aplicaciones en chip.
El trabajo se publica el 23 de julio en Fotónica de la naturaleza .
El dispositivo emite luz mediante un fenómeno mecánico cuántico conocido como túnel de electrones inelásticos. En este proceso, los electrones se mueven a través de una barrera sólida que clásicamente no pueden cruzar. Y mientras cruza, los electrones pierden algo de su energía, creando fotones o fonones en el proceso.
Los investigadores de plasmónica han estado interesados en utilizar un túnel de electrones inelásticos para crear fuentes de luz extremadamente pequeñas con un gran ancho de banda de modulación. Sin embargo, porque solo una pequeña fracción de electrones puede hacer un túnel de forma inelástica, la eficiencia de la emisión de luz suele ser baja, del orden de unas pocas centésimas de porcentaje, a lo sumo.
Los ingenieros de UC San Diego crearon un dispositivo que aumenta esa eficiencia hasta aproximadamente un dos por ciento. Si bien esto aún no es lo suficientemente alto para un uso práctico, es el primer paso hacia un nuevo tipo de fuente de luz, dijo Zhaowei Liu, profesor de ingeniería eléctrica e informática en la Escuela de Ingeniería Jacobs de UC San Diego.
"Estamos explorando una nueva forma de generar luz, "dijo Liu.
Izquierda:esquema de la unión del túnel formada por dos cuboides monocristalinos de plata de borde a borde con una barrera aislante de polivinilpirrolidona (PVP). El recuadro superior muestra que los fotones se generan a través de un túnel de electrones inelásticos. El rendimiento del dispositivo se puede diseñar ajustando el tamaño de los cuboides (a, B, C), el tamaño de la brecha (d), y la curvatura de los bordes cuboides plateados. Derecha:imagen TEM del cruce del túnel, donde el espacio es de alrededor de 1,5 nm. Crédito:Haoliang Qian / Nature Photonics
El equipo de Liu diseñó el nuevo dispositivo emisor de luz utilizando métodos computacionales y simulaciones numéricas. Investigadores en el laboratorio de Andrea Tao, profesor de nanoingeniería en la Escuela de Ingeniería Jacobs de UC San Diego, luego construyó el dispositivo utilizando técnicas avanzadas de química basada en soluciones.
El dispositivo es una pequeña nanoestructura plasmónica en forma de pajarita que consta de dos cuboides, monocristales de plata unidos en una esquina. Conectando las esquinas hay una barrera aislante de 1,5 nanómetros de ancho hecha de un polímero llamado polivinilpirrolidona (PVP).
Esta pequeña unión metal-aislante-metal (plata-PVP-plata) es donde ocurre la acción. Los electrodos conectados a los nanocristales permiten que se aplique voltaje al dispositivo. A medida que los electrones salen de una esquina de un nanocristal de plata a través de la pequeña barrera de PVP, transfieren energía a los polaritones del plasmón de la superficie, ondas electromagnéticas que viajan a lo largo de la interfaz metal-aislante, que luego convierten esa energía en fotones.
Pero lo que hace que esta unión en particular sea más eficiente para hacer túneles de electrones de manera inelástica es su geometría y su tamaño extremadamente pequeño. Al unir dos cristales individuales de plata en sus esquinas con una pequeña barrera de aislante en el medio, Los investigadores crearon esencialmente una antena óptica de alta calidad con una alta densidad local de estados ópticos, resultando en una conversión más eficiente de energía electrónica en luz.
Imágenes SEM de uniones de túneles basadas en nanocristales de plata crecidas con diferentes dimensiones. Crédito:Haoliang Qian / Nature Photonics
Las uniones metal-aislante-metal han tenido una eficiencia de emisión de luz tan baja en el pasado porque se construyeron uniendo cristales metálicos a lo largo de una cara completa, en lugar de una esquina, explicó Liu. Dar a los electrones una antena óptica de alta calidad con un espacio mucho más pequeño para el túnel permite una emisión de luz eficiente, y este tipo de estructura ha sido difícil de fabricar con los métodos de nanolitografía utilizados en el pasado, él dijo.
"Usando química, podemos construir estas uniones nanométricas precisas que permiten una emisión de luz más eficiente, ", dijo Tao." Las técnicas de fabricación que usamos nos dan control a nivel atómico de nuestros materiales; podemos dictar el tamaño y la forma de los cristales en solución en función de los reactivos que usamos, y podemos crear estructuras que tengan caras atómicamente planas y esquinas extremadamente afiladas ".
Con trabajo adicional, el equipo tiene como objetivo aumentar aún más la eficiencia en un orden de magnitud superior. Están explorando diferentes geometrías y materiales para estudios futuros.
