p Em um feito que pode fornecer uma gama promissora de aplicações, da eficiência energética às telecomunicações e à imagem aprimorada, pesquisadores da UC Santa Barbara criaram um semicondutor composto de qualidade quase perfeita com nanoestruturas incorporadas contendo linhas ordenadas de átomos que podem manipular a energia da luz na faixa do infravermelho médio. Células solares mais eficientes, imagem biológica menos arriscada e de maior resolução, e a capacidade de transmitir grandes quantidades de dados em velocidades mais altas são apenas algumas das aplicações que este semicondutor exclusivo será capaz de suportar. p "Este é um campo novo e empolgante, "disse Hong Lu, pesquisador do departamento de Materiais da UCSB e autor principal de um estudo publicado recentemente na revista Nano Letras , uma publicação da American Chemical Society.

p A chave para esta tecnologia é o uso de érbio, um metal de terra rara que tem a capacidade de absorver luz no comprimento de onda visível e infravermelho - que é um comprimento de onda de frequência maior e menor ao qual o olho humano está acostumado - e tem sido usado há anos para melhorar o desempenho do silício na produção de fibra óptica. Emparelhando érbio com o elemento antimônio (Sb), os pesquisadores incorporaram o composto resultante - antimoneto de érbio (ErSb) - como nanoestruturas semimetálicas dentro da matriz semicondutora de antimoneto de gálio (GaSb).

p ErSb, de acordo com Lu, é um material ideal para combinar com GaSb por causa de sua compatibilidade estrutural com o material circundante, permitindo que os pesquisadores incorporem as nanoestruturas sem interromper a estrutura da rede atômica da matriz semicondutora. Quanto menos defeituosa for a estrutura de rede cristalina de um semicondutor, mais confiável e com melhor desempenho será o dispositivo no qual ele é usado.

p "As nanoestruturas são incorporadas de forma coerente, sem introduzir defeitos perceptíveis, através do processo de crescimento por epitaxia de feixe molecular, "disse Lu." Em segundo lugar, podemos controlar o tamanho, a forma e a orientação das nanoestruturas. "O termo" epitaxia "refere-se a um processo pelo qual camadas de material são depositadas átomo por átomo, ou molécula por molécula, um em cima do outro com uma orientação específica.

p "É realmente um novo tipo de heteroestrutura, "disse Arthur Gossard, professor do Departamento de Materiais e também do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computadores. Enquanto semicondutores incorporando diferentes materiais têm sido estudados por anos - um professor de tecnologia da UCSB e ganhador do Nobel Herbert Kroemer foi o pioneiro - um único semicondutor / metal heteroestruturado de cristal está em uma classe própria.

p As nanoestruturas permitem que o semicondutor composto absorva um espectro mais amplo de luz devido a um fenômeno chamado ressonância plasmônica de superfície, disse o Lu, e que o efeito tem aplicações potenciais em amplos campos de pesquisa, como células solares, aplicações médicas para combater o câncer, e no novo campo da plasmônica.

p Óptica e eletrônica operam em escalas muito diferentes, com o confinamento de elétrons sendo possível em espaços muito menores do que as ondas de luz. Portanto, tem sido um desafio constante para os engenheiros criar um circuito que possa aproveitar a velocidade e a capacidade de dados dos fótons e a compactação da eletrônica para o processamento de informações.

p A ponte altamente procurada entre a óptica e a eletrônica pode ser encontrada com este semicondutor composto usando plasmons de superfície, oscilações de elétrons na superfície de um metal excitado pela luz. Quando luz (neste caso, infravermelho) atinge a superfície deste semicondutor, elétrons nas nanoestruturas começam a ressoar, isto é, se afastam de suas posições de equilíbrio e oscilam na mesma frequência que a luz infravermelha - preservando as informações ópticas, mas encolhendo-o a uma escala que seja compatível com dispositivos eletrônicos.

p No reino da imagem, nanofios incorporados de ErSb oferecem um forte efeito de polarização de banda larga, de acordo com Lu, filtrar e definir imagens com assinaturas de luz infravermelha e terahertz de comprimentos de onda ainda mais longos. Este efeito pode ser usado para criar imagens de uma variedade de materiais, incluindo o corpo humano, sem o risco representado pelas energias superiores que emanam dos raios-X, por exemplo. Produtos químicos como os encontrados em explosivos e alguns narcóticos ilegais têm características únicas de absorção nesta região do espectro. Os pesquisadores já solicitaram uma patente para esses nanofios incorporados como um polarizador de luz de banda larga.

p "Para imagens infravermelhas, se você pode fazer isso com polarizações controláveis, há informações lá, "disse Gossard.

p Embora os comprimentos de onda infravermelho e terahertz ofereçam muito em relação ao tipo de informação que podem fornecer, o desenvolvimento de instrumentos que possam tirar o máximo proveito de sua gama de frequências ainda é um campo emergente. Lu credita esse avanço à natureza colaborativa da pesquisa no campus da UCSB, o que permitiu que ela fundisse sua experiência em materiais com as habilidades de pesquisadores especializados em tecnologia infravermelha e terahertz.

p "É incrível aqui, "ela disse." Basicamente, colaboramos e descobrimos todos esses recursos e propriedades interessantes do material juntos. "

p "Uma das coisas mais interessantes sobre isso para mim é que foi uma colaboração 'popular', "disse Mark Sherwin, professor de física, diretor do Instituto de Ciência e Tecnologia Terahertz da UCSB, e um dos co-autores do artigo. A ideia para o direcionamento da pesquisa partiu dos pesquisadores juniores do grupo, ele disse, alunos de pós-graduação e graduados de diferentes laboratórios e grupos de pesquisa que trabalham em diferentes aspectos do projeto, todos os quais decidiram combinar seus esforços e sua experiência em um estudo. "Acho que o que é realmente especial sobre a UCSB é que podemos ter um ambiente como esse."

p Desde que o artigo foi escrito, a maioria dos pesquisadores foi para a indústria:Daniel G. Ouelette e Benjamin Zaks, anteriormente do Departamento de Física e do Instituto de Ciência e Tecnologia Terahertz da UCSB, agora trabalho na Intel e Agilent, respectivamente. Seu colega Justin Watts, que era estudante de graduação agora está fazendo pós-graduação na Universidade de Minnesota. Peter Burke, anteriormente do Departamento de Materiais da UCSB, agora trabalha na Lockheed Martin. Sascha Preu, um ex-pós-doutorado no Grupo Sherwin, agora é professor assistente na Universidade Técnica de Darmstadt.

p Pesquisadores no campus também estão explorando as possibilidades dessa tecnologia no campo da termelétrica, que estuda como as diferenças de temperatura de um material podem criar voltagem elétrica ou como as diferenças de voltagens elétricas em um material podem criar diferenças de temperatura. Os renomados pesquisadores da UCSB, John Bowers (fotônica de estado sólido) e Christopher Palmstrom (crescimento heteroepitaxial de novos materiais), estão investigando o potencial deste novo semicondutor.