Os pesquisadores do MIT depositaram camadas triangulares de dissulfeto de molibdênio em um substrato de silício. À esquerda, as regiões destacadas em azul indicam onde as camadas se sobrepõem.
Chips que usam luz, ao invés de eletricidade, mover dados consumiria muito menos energia - e a eficiência energética é uma preocupação crescente à medida que aumenta a contagem de transistores dos chips.
Dos três principais componentes dos circuitos ópticos - emissores de luz, moduladores, e detectores - os emissores são os mais difíceis de construir. Uma fonte de luz promissora para chips ópticos é dissulfeto de molibdênio (MoS 2 ), que tem excelentes propriedades ópticas quando depositado como um único, camada de átomo de espessura. Outros emissores de luz no chip experimentais têm geometrias tridimensionais mais complexas e usam materiais mais raros, o que os tornaria mais difíceis e caros de fabricar.
Na próxima edição da revista Nano Letras , pesquisadores dos departamentos de Física e de Engenharia Elétrica e de Computação do MIT Ciência irá descrever uma nova técnica para construir MoS 2 emissores de luz sintonizados em diferentes frequências, um requisito essencial para chips optoeletrônicos. Uma vez que filmes finos de material também podem ser padronizados em folhas de plástico, o mesmo trabalho pode apontar para fino, flexível, brilhante, monitores coloridos.
Os pesquisadores também fornecem uma caracterização teórica dos fenômenos físicos que explicam a sintonia dos emissores, o que poderia ajudar na busca de materiais candidatos ainda melhores. O molibdênio é um de vários elementos, agrupados na tabela periódica, conhecidos como metais de transição. "Existe toda uma família de metais de transição, "diz o Professor Emérito do Instituto Mildred Dresselhaus, o autor correspondente no novo artigo. "Se você encontrar em um, então, dá a você algum incentivo para examiná-lo em toda a família. "
Juntando-se a Dresselhaus no papel estão os primeiros co-autores Shengxi Huang, um estudante de graduação em engenharia elétrica e ciência da computação, e Xi Ling, pós-doutorado no Laboratório de Pesquisa em Eletrônica; professor associado de engenharia elétrica e ciência da computação Jing Kong; e Liangbo Liang, Humberto Terrones, e Vincent Meunier do Rensselaer Polytechnic Institute.
Monocamada - com uma torção
A maioria dos sistemas de comunicações ópticas - como as redes de fibra óptica que fornecem serviços de Internet e TV a muitas pessoas - maximizam a largura de banda codificando dados diferentes em frequências ópticas diferentes. Portanto, a capacidade de ajuste é crucial para realizar todo o potencial dos chips optoeletrônicos.
As linhas pontilhadas à esquerda delineiam diferentes camadas de dissulfeto de molibdênio, cuja orientação relativa determina o comprimento de onda da luz que eles emitem.
Os pesquisadores do MIT ajustaram seus emissores depositando duas camadas de MoS 2 em um substrato de silício. As camadas superiores foram giradas em relação às camadas inferiores, e o grau de rotação determinava o comprimento de onda da luz emitida.
Normalmente, MoS 2 é um bom emissor de luz apenas em monocamadas, ou folhas com espessura de átomo. Como Huang explica, isso porque a estrutura bidimensional da folha confina os elétrons que orbitam o MoS 2 moléculas a um número limitado de estados de energia.
MoS 2 , como todos os semicondutores emissores de luz, é o que é chamado de material de gap direto. Quando a energia é adicionada ao material, seja por uma "bomba" a laser ou como uma corrente elétrica, ele chuta alguns dos elétrons que orbitam as moléculas para estados de energia mais elevados. Quando os elétrons voltam ao seu estado inicial, eles emitem seu excesso de energia como luz.
Em uma monocamada de MoS 2 , os elétrons excitados não podem escapar do plano definido pela estrutura do cristal do material:Por causa da geometria do cristal, os únicos estados de energia disponíveis para eles saltarem e cruzarem o limiar de emissão de luz. Mas em MoS multicamadas 2 , as camadas adjacentes oferecem estados de baixa energia, abaixo do limite, e um elétron excitado sempre buscará a energia mais baixa que puder encontrar.
Cuidado com o vão
Portanto, embora os pesquisadores soubessem que a rotação das camadas de MoS 2 deve alterar o comprimento de onda da luz emitida, eles não estavam absolutamente certos de que a luz seria intensa o suficiente para uso em optoeletrônica. Acontece que Contudo, a rotação das camadas entre si altera a geometria do cristal o suficiente para preservar o gap. A luz emitida não é tão intensa quanto a produzida por uma monocamada de MoS 2 , mas certamente é intenso o suficiente para uso prático - e significativamente mais intenso do que o produzido pela maioria das tecnologias rivais.
Os pesquisadores conseguiram caracterizar com precisão a relação entre as geometrias das camadas giradas e o comprimento de onda e intensidade da luz emitida. "Para diferentes ângulos torcidos, a separação real entre as duas camadas é diferente, então o acoplamento entre as duas camadas é diferente, "Huang explica." Isso interfere com as densidades de elétrons no sistema de bicamada, o que lhe dá uma fotoluminescência diferente. "Essa caracterização teórica deve tornar muito mais fácil prever se outros compostos de metal de transição exibirão emissão de luz semelhante.
"Essa coisa é algo realmente novo, "diz Fengnian Xia, professor assistente de engenharia elétrica na Universidade de Yale. "Isso dá a você um novo modelo de ajuste."
"Eu esperava que esse tipo de ajuste de ângulo funcionasse, mas não esperava que o efeito fosse tão grande, "Xia acrescenta." Eles obtêm uma afinação bastante significativa. That's a little bit surprising."
Xia believes that compounds made from other transition metals, such as tungsten disulfide or tungsten diselenide, could ultimately prove more practical than MoS 2 . But he agrees that the MIT and RPI researchers' theoretical framework could help guide future work. "They use density-functional theory, " he says. "That's a kind of general theory that can be applied to other materials also."
Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.
