Nanostructures de silicium montrées dans une image au microscope électronique à balayage. Le diamètre des nanocolonnes est de 570 nm. Par comparaison, les nanocônes se rétrécissent depuis leur diamètre supérieur de 940 nm jusqu'à 360 nm à leur base. Crédit :MPL
Silicium, un matériau semi-conducteur, révèle de nouveaux talents lorsqu'il est réduit à des dimensions nanoscopiques. Une équipe conjointe de l'Institut HZB des nanoarchitectures pour la conversion d'énergie et de l'Institut Max Planck pour la science de la lumière (MPL) l'a démontré. Les nanocônes de silicium génèrent 200 fois plus de luminescence infrarouge que des nanocolonnes de taille comparable lorsqu'ils sont excités par la lumière visible. La modélisation et les résultats expérimentaux montrent qu'en raison de leur géométrie, les cônes sont capables de supporter ce que l'on appelle des modes de galerie de chuchotement à des longueurs d'onde infrarouges qui peuvent intensifier la luminescence du silicium. De nouvelles applications sont envisageables, y compris les nanolasers à base de silicium.
Le silicium est un matériau conventionnel pour les puces informatiques et les cellules solaires. Cependant, même si les propriétés du silicium sont bien connues, les nanostructures réservent encore des surprises. Une équipe dirigée par le professeur Silke Christiansen de l'Institut HZB des nanoarchitectures pour la conversion d'énergie et de l'Institut Max Planck pour la science de la lumière (MPL) a montré pour la première fois comment la lumière se comporte dans un nanocône de silicium. Leurs simulations numériques et leurs expériences démontrent maintenant pourquoi cette géométrie conique est capable d'émettre une luminescence optiquement excitée bien mieux que des nanocolonnes de taille comparable. "Les cônes fonctionnent comme des rangées de minuscules galeries chuchotantes - pas pour le son, mais plutôt pour la lumière", explique Sebastian Schmitt, premier auteur.
Forte luminescence dans les nanocônes
Schmitt et son collègue George Sarau ont irradié des nanocolonnes et des nanocônes de silicium individuels à l'aide d'une lumière laser rouge (660 nanomètres) et ont mesuré le rayonnement qui a ensuite été émis sous forme de luminescence par l'échantillon. On sait que la luminescence dans le silicium (sans nanostructuration) est normalement très faible car les électrons excités se recombinent peu radiativement dans ce matériau (bande interdite indirecte). En revanche, les nanostructures convertissent une bien plus grande partie de la lumière incidente en rayonnement électromagnétique dans le proche infrarouge. Cet effet dans les nanocônes est 200 fois plus fort que dans les nanocolonnes. "C'est le gain de luminescence le plus élevé jamais mesuré dans une structure en silicium", dit Schmitt.
Modes de galerie de chuchotement
L'équipe peut également expliquer pourquoi. La propagation des ondes électromagnétiques dans diverses géométries de nanofils de silicium peut être calculée à l'aide de la modélisation numérique. Parce que le diamètre du nanocône change avec la hauteur, il existe plusieurs niveaux auxquels la lumière infrarouge se superpose de manière constructive pour former des ondes stationnaires. Cette amplification facilite une excitation accrue des électrons et donc la libération de luminescence. Ce phénomène est connu sur le terrain sous le nom d'effet Purcell. Si une source lumineuse est située dans un résonateur optique, l'émission spontanée de lumière augmente. Les nanocônes agissent comme des résonateurs exceptionnels, comme des galeries de chuchotement optique pour la lumière.
Une caméra infrarouge capture la luminescence (émission de lumière) après excitation optique des deux nanostructures. Crédit :MPL
Règles de conception pour les nouveaux appareils
"Ces types de nanostructures constituées de cônes individuels ne sont pas difficiles à fabriquer", explique Schmitt. Ils seraient facilement intégrés en tant que nouveaux composants dans les principales techniques de fabrication de semi-conducteurs CMOS utilisées pour les diodes, commutateurs optoélectroniques, et capteurs optiques, par exemple. Ces structures pourraient même produire de la lumière laser en conjonction avec un milieu optiquement actif approprié, le physicien conjecture. "Nous pouvons dériver des règles de conception simples pour les nanostructures semi-conductrices avec ce type de connaissances pour exercer un contrôle sur le nombre et les longueurs d'onde des modes hébergés et ainsi contrôler la luminescence", dit Christiansen.
La densité d'énergie de la lumière (1027 nm) dans les sections transversales des nanostructures peut être modélisée numériquement. Les modes de galerie chuchotante n'apparaissent que dans les nanocônes. La luminescence est amplifiée 200 fois plus dans les nanocônes que dans les nanocolonnes. Crédit :MPL
