Lumière voyageant le long d'un nanofil d'argent sous forme de plasmons et réémise via le bisulfure de molybdène. Crédit :M. Osadciw, Université de Rochester, New York
Circuits photoniques, qui utilisent la lumière pour transmettre des signaux, sont nettement plus rapides que les circuits électroniques. Malheureusement, ils sont aussi plus gros. Il est difficile de localiser la lumière visible en dessous de sa limite de diffraction, environ 200-300 nanomètres, et comme les composants des semi-conducteurs électroniques ont rétréci à l'échelle nanométrique, la limitation de la taille des circuits photoniques a conféré un avantage significatif aux circuits électroniques, malgré l'écart de vitesse.
Aujourd'hui, des chercheurs de l'Université de Rochester ont démontré une réussite clé dans la réduction des dispositifs photoniques en dessous de la limite de diffraction, une étape nécessaire pour rendre les circuits photoniques compétitifs avec la technologie d'aujourd'hui. Les scientifiques ont développé un photodétecteur à l'échelle nanométrique qui utilise le matériau commun disulfure de molybdène pour détecter les plasmons optiques - les oscillations d'électrons voyageant en dessous de la limite de diffraction - et ont démontré avec succès que la lumière peut conduire un courant à l'aide d'un nanofil d'argent.
"Nos appareils sont un pas vers la miniaturisation en deçà de la limite de diffraction, " a déclaré Kenneth Goodfellow, un étudiant diplômé du laboratoire du Groupe Optoélectronique Quantique et Métrologie Optique, L'institut d'optique, Université de Rochester, New York. "C'est un pas vers l'utilisation de la lumière pour conduire, ou, au moins compléter les circuits électroniques pour un transfert d'informations plus rapide."
L'équipe présentera ses travaux aux Frontiers in Optics, La réunion et la conférence annuelles de l'Optical Society à San José, Californie, ETATS-UNIS, le 22 octobre 2015.
Conception schématique du semi-conducteur nanophotonique. Crédit :Goodfellow &Vamivakas, Université de Rochester, New York
Le dispositif développe des travaux antérieurs démontrant que la lumière pouvait être transmise le long d'un nanofil d'argent sous la forme d'un plasmon et réémise à l'autre extrémité, qui était recouvert de flocons atomiquement minces de bisulfure de molybdène (MoS2). Lorsqu'il est réémis, la lumière correspondait à la bande interdite du MoS2, plutôt que uniquement à la longueur d'onde du laser, démontrant que les plasmons ont effectivement poussé les électrons du MoS2 dans un état d'énergie différent.
"La prochaine idée naturelle serait de voir si ce type d'appareil pourrait être utilisé comme photodétecteur, " a déclaré Goodfellow.
Pour faire ça, le groupe a transféré un nanofil d'argent recouvert à une extrémité de MoS2 sur un substrat de silicium et déposé des contacts métalliques sur cette même extrémité par lithographie par faisceau d'électrons. Ils ont ensuite connecté l'appareil à un équipement pour contrôler sa polarisation, ou fixe, tension et de mesurer le courant qui le traverse.
Lorsque l'extrémité découverte du fil a été exposée à un laser, l'énergie a été convertie en plasmons, une forme d'onde électromagnétique qui se déplace à travers les oscillations de la densité électronique. Cette énergie a excité électroniquement un électron une fois qu'il a atteint l'extrémité recouverte de bisulfure de molybdène, générer efficacement un courant.
En scannant le fil petit à petit avec un laser - un processus connu sous le nom de balayage raster - les chercheurs ont pu mesurer le courant à chaque point le long du fil, constatant qu'il était sensible à la polarisation de la lumière entrante et était à son plus fort lorsque la lumière était polarisée parallèlement au fil. Ils ont également découvert que l'appareil était sensible à la longueur d'onde d'excitation du laser, et les performances étaient limitées à des longueurs d'onde plus courtes en raison de la propagation inefficace des plasmons et à des longueurs d'onde plus longues en raison de la bande interdite du bisulfure de molybdène.
"Les circuits photoniques complets sont dans le futur, mais ce travail contribue à nourrir l'effort actuel, " a déclaré Goodfellow.
Les travaux futurs du groupe comprennent la réduction de la contamination potentielle dans l'assemblage du dispositif en passant à un transfert à sec complet des fils et du MoS2 sur des électrodes préfabriquées, ainsi qu'un meilleur contrôle du processus de dopage MoS2 pour ajouter des porteurs de charge supplémentaires et améliorer l'efficacité de l'appareil.
