Illustration d'un dispositif nanométrique composé de deux monocristaux d'argent joints qui génèrent de la lumière par effet tunnel électronique inélastique. Crédit :Steven Bopp, Université de Californie - San Diego
En utilisant des techniques de fabrication avancées, des ingénieurs de l'Université de Californie à San Diego ont construit un appareil nanométrique à partir de cristaux d'argent qui peut générer de la lumière en "tunnelant" efficacement les électrons à travers une minuscule barrière. Les travaux rapprochent la recherche plasmonique de la réalisation de sources lumineuses ultra-compactes pour la haute vitesse, traitement de données optiques et autres applications sur puce.
L'ouvrage est publié le 23 juillet dans Photonique de la nature .
L'appareil émet de la lumière par un phénomène de mécanique quantique connu sous le nom d'effet tunnel électronique inélastique. Dans ce processus, les électrons traversent une barrière solide qu'ils ne peuvent pas franchir classiquement. Et en traversant, les électrons perdent une partie de leur énergie, créant des photons ou des phonons dans le processus.
Les chercheurs en plasmonique se sont intéressés à l'utilisation de l'effet tunnel électronique inélastique pour créer des sources lumineuses extrêmement petites avec une large bande passante de modulation. Cependant, car seule une infime fraction d'électrons peut tunneler de manière inélastique, l'efficacité de l'émission lumineuse est généralement faible, de l'ordre de quelques centièmes de pour cent, au plus.
Les ingénieurs de l'UC San Diego ont créé un appareil qui augmente cette efficacité jusqu'à environ deux pour cent. Bien que ce ne soit pas encore assez élevé pour une utilisation pratique, c'est le premier pas vers un nouveau type de source lumineuse, dit Zhaowei Liu, professeur de génie électrique et informatique à la UC San Diego Jacobs School of Engineering.
"Nous explorons une nouvelle façon de générer de la lumière, " dit Liu.
A gauche :schémas de la jonction tunnel formée par deux cuboïdes monocristallins d'argent bord à bord avec une barrière isolante de polyvinylpyrrolidone (PVP). L'encart supérieur montre que les photons sont générés par effet tunnel électronique inélastique. Les performances de l'appareil peuvent être conçues en ajustant la taille des cuboïdes (a, b, c), la taille de l'intervalle (d), et la courbure des bords cuboïdes d'argent. A droite :image MET de la jonction tunnel, où l'écart est d'environ 1,5 nm. Crédit :Haoliang Qian/Nature Photonics
L'équipe de Liu a conçu le nouveau dispositif électroluminescent à l'aide de méthodes de calcul et de simulations numériques. Des chercheurs du laboratoire d'Andrea Tao, professeur de nano-ingénierie à la UC San Diego Jacobs School of Engineering, puis construit l'appareil à l'aide de techniques avancées de chimie en solution.
Le dispositif est une minuscule nanostructure plasmonique en forme de nœud papillon composée de deux cuboïdes, monocristaux d'argent réunis à un coin. Les coins sont reliés par une barrière isolante de 1,5 nanomètre de large constituée d'un polymère appelé polyvinylpyrrolidone (PVP).
Cette minuscule jonction métal-isolant-métal (argent-PVP-argent) est l'endroit où l'action se produit. Des électrodes connectées aux nanocristaux permettent d'appliquer une tension au dispositif. Alors que les électrons passent d'un coin d'un nanocristal d'argent à travers la minuscule barrière PVP, ils transfèrent de l'énergie aux polaritons de plasmons de surface - des ondes électromagnétiques qui se déplacent le long de l'interface métal-isolant - qui convertissent ensuite cette énergie en photons.
Mais ce qui rend cette jonction particulière plus efficace pour tunneler les électrons de manière inélastique, c'est sa géométrie et sa taille extrêmement petite. En joignant deux monocristaux d'argent ensemble à leurs coins avec une minuscule barrière d'isolant entre les deux, les chercheurs ont essentiellement créé une antenne optique de haute qualité avec une densité locale élevée d'états optiques, résultant en une conversion plus efficace de l'énergie électronique en lumière.
Images SEM de jonctions tunnel à base de nanocristaux d'argent cultivées avec différentes dimensions. Crédit :Haoliang Qian/Nature Photonics
Les jonctions métal-isolant-métal ont eu une efficacité d'émission lumineuse si faible dans le passé parce qu'elles ont été construites en joignant des cristaux métalliques le long d'une face entière, plutôt qu'un coin, expliqua Liu. Donner aux électrons une antenne optique de haute qualité avec un espace beaucoup plus petit à traverser permet une émission de lumière efficace, et ce type de structure a été difficile à fabriquer avec les méthodes de nanolithographie utilisées dans le passé, il a dit.
"En utilisant la chimie, nous pouvons construire ces jonctions nanométriques précises qui permettent une émission de lumière plus efficace, " a déclaré Tao. " Les techniques de fabrication que nous utilisons nous donnent un contrôle au niveau atomique de nos matériaux - nous pouvons dicter la taille et la forme des cristaux en solution en fonction des réactifs que nous utilisons, et nous pouvons créer des structures qui ont des faces atomiquement plates et des coins extrêmement pointus."
Avec du travail supplémentaire, l'équipe vise à accroître encore l'efficacité d'un autre ordre de grandeur plus élevé. Ils explorent différentes géométries et matériaux pour de futures études.
