Cette micrographie montre une forêt de nanofils semi-conducteurs III-V debout, comme grandi, sur un substrat de silicium. Crédit :WSI/TUM
Des structures semi-conductrices filiformes appelées nanofils, si minces qu'ils sont effectivement unidimensionnels, montrer le potentiel en tant que lasers pour des applications en informatique, communication, et sentir. Des scientifiques de la Technische Universitaet Muenchen (TUM) ont démontré l'action du laser dans des nanofils semi-conducteurs qui émettent de la lumière à des longueurs d'onde technologiquement utiles et fonctionnent à température ambiante. Ils ont maintenant documenté cette percée dans le journal Communication Nature et, dans Lettres nano , ont divulgué d'autres résultats montrant des performances optiques et électroniques améliorées.
« Les lasers à nanofils pourraient représenter la prochaine étape dans le développement de plus petits, plus rapide, des sources lumineuses plus économes en énergie, " dit le professeur Jonathan Finley, directeur de l'Institut Walter Schottky du TUM. Les applications potentielles incluent les interconnexions optiques sur puce ou même les transistors optiques pour accélérer les ordinateurs, optoélectronique intégrée pour les communications par fibre optique, et des réseaux laser à faisceaux orientables. "Mais les nanofils sont aussi un peu particuliers, " Finley ajoute, « en ce qu'ils sont très sensibles à leur environnement, avoir un grand rapport surface/volume, et sont assez petits, par exemple, pour piquer dans une cellule biologique. » Ainsi, les lasers à nanofils pourraient également s'avérer utiles dans la détection environnementale et biologique.
Ces lasers à nanofils expérimentaux émettent de la lumière dans le proche infrarouge, approche du « sweet spot » pour les communications par fibre optique. Ils peuvent être cultivés directement sur du silicium, présentant des opportunités pour la photonique et l'optoélectronique intégrées. Et ils fonctionnent à température ambiante, une condition préalable aux applications du monde réel.
Adapté en laboratoire, avec un œil sur l'industrie
Les chercheurs du TUM ont démontré que les nanofils semi-conducteurs comme celui présenté ici peuvent agir à la fois comme des lasers, générer des impulsions lumineuses cohérentes, et comme guides d'ondes, similaire aux fibres optiques. Parce que ces lasers à nanofils émettent de la lumière à des longueurs d'onde technologiquement utiles, peut être cultivé sur des substrats de silicium, et fonctionne à température ambiante, ils ont un potentiel d'applications en informatique, communication, et sentir. Crédit :WSI/TUM
Aussi petits qu'ils soient – mille fois plus fins qu'un cheveu humain – les lasers à nanofils présentés au TUM ont une section transversale complexe « cœur-coquille » avec un profil de différents matériaux semi-conducteurs adapté pratiquement atome par atome.
La structure cœur-coquille sur mesure des nanofils leur permet d'agir à la fois comme des lasers, générer des impulsions lumineuses cohérentes, et comme guides d'ondes, similaire aux fibres optiques. Comme les lasers de communication conventionnels, ces nanofils sont constitués de semi-conducteurs dits III-V, matériaux avec la bonne "bande interdite" pour émettre de la lumière dans le proche infrarouge. Un avantage unique, Finley explique, est que la géométrie des nanofils est "plus tolérante que les cristaux ou films en vrac, vous permettant de combiner des matériaux que vous ne pouvez normalement pas combiner. ils peuvent être cultivés directement sur des puces de silicium d'une manière qui atténue les restrictions dues à la non-concordance du réseau cristallin - produisant ainsi un matériau de haute qualité avec un potentiel de haute performance.
Mettez ces caractéristiques ensemble, et il devient possible d'imaginer une voie de la recherche appliquée à une variété d'applications futures. Un certain nombre de défis importants demeurent, toutefois. Par exemple, l'émission laser des nanofils TUM a été stimulée par la lumière - tout comme les lasers à nanofils signalés presque simultanément par une équipe de l'Université nationale australienne - mais les applications pratiques nécessiteront probablement des dispositifs à injection électrique.
Lasers à nanofils :une frontière technologique aux belles perspectives
Les résultats nouvellement publiés sont en grande partie dus à une équipe de scientifiques qui commencent leur carrière, sous la direction du Dr Gregor Koblmueller et d'autres chercheurs seniors, à la frontière d'un nouveau domaine. Doctorants dont Benedikt Mayer, Daniel Rodolphe, Stefanie Morkötter et Julian Treu ont conjugué leurs efforts, travailler ensemble sur la conception photonique, croissance matérielle, et caractérisation par microscopie électronique à résolution atomique.
Les recherches en cours sont orientées vers une meilleure compréhension des phénomènes physiques à l'œuvre dans de tels dispositifs ainsi que vers la création de lasers à nanofils électriquement injectés, optimiser leurs performances, et en les intégrant à des plateformes pour la photonique sur silicium.
« À l'heure actuelle, très peu de laboratoires dans le monde ont la capacité de développer des matériaux et des dispositifs à nanofils avec la précision requise, " déclare le co-auteur Prof. Gerhard Abstreiter, fondateur du Walter Schottky Institute et directeur du TUM Institute for Advanced Study. "Et encore, " il explique, "nos processus et conceptions sont compatibles avec les méthodes de production industrielle pour l'informatique et les communications. L'expérience montre que l'expérience héroïque d'aujourd'hui peut devenir la technologie commerciale de demain, et c'est souvent le cas."
