Ilustração de um dispositivo nanométrico feito de dois cristais únicos de prata unidos que geram luz por tunelamento de elétrons inelástico. Crédito:Steven Bopp, Universidade da Califórnia - San Diego
Usando técnicas de fabricação avançadas, engenheiros da Universidade da Califórnia em San Diego construíram um dispositivo nanométrico de cristais de prata que pode gerar luz por meio do "tunelamento" eficiente de elétrons através de uma barreira minúscula. O trabalho traz a pesquisa da plasmônica um passo mais perto de realizar fontes de luz ultracompactas para alta velocidade, processamento óptico de dados e outras aplicações no chip.
O trabalho é publicado em 23 de julho em Nature Photonics .
O dispositivo emite luz por um fenômeno de mecânica quântica conhecido como tunelamento inelástico de elétrons. Nesse processo, os elétrons se movem através de uma barreira sólida que eles não podem cruzar classicamente. E durante a travessia, os elétrons perdem parte de sua energia, criando fótons ou fônons no processo.
Pesquisadores de plasmonics têm se interessado em usar tunelamento de elétrons inelástico para criar fontes de luz extremamente pequenas com grande largura de banda de modulação. Contudo, porque apenas uma pequena fração de elétrons pode tunelar inelasticamente, a eficiência da emissão de luz é normalmente baixa - da ordem de alguns centésimos de um por cento, no máximo.
Os engenheiros da UC San Diego criaram um dispositivo que aumenta essa eficiência em aproximadamente 2%. Embora ainda não seja alto o suficiente para uso prático, é o primeiro passo para um novo tipo de fonte de luz, disse Zhaowei Liu, professor de engenharia elétrica e de computação na Escola de Engenharia da UC San Diego Jacobs.
"Estamos explorando uma nova maneira de gerar luz, "disse Liu.
Esquerda:esquema da junção do túnel formado por dois cuboides de cristal único de prata de ponta a ponta com uma barreira isolante de polivinilpirrolidona (PVP). A inserção superior mostra que os fótons são gerados por tunelamento de elétrons inelástico. O desempenho do dispositivo pode ser projetado ajustando o tamanho dos cubóides (a, b, c), o tamanho da lacuna (d), e a curvatura das bordas cubóides de prata. À direita:imagem TEM da junção do túnel, onde a lacuna é de cerca de 1,5 nm. Crédito:Haoliang Qian / Nature Photonics
A equipe de Liu projetou o novo dispositivo emissor de luz usando métodos computacionais e simulações numéricas. Pesquisadores do laboratório de Andrea Tao, professor de nanoengenharia da Escola de Engenharia da UC San Diego Jacobs, em seguida, construiu o dispositivo usando técnicas de química baseadas em soluções avançadas.
O dispositivo é uma pequena nanoestrutura plasmônica em forma de gravata borboleta que consiste em dois cubóides, cristais únicos de prata unidos em um canto. Conectando os cantos, existe uma barreira isolante de 1,5 nanômetro feita de um polímero chamado polivinilpirrolidona (PVP).
Essa minúscula junção metal-isolante-metal (prata-PVP-prata) é onde ocorre a ação. Eletrodos conectados aos nanocristais permitem que a voltagem seja aplicada ao dispositivo. À medida que os elétrons passam por um túnel de um canto de um nanocristal de prata através da minúscula barreira PVP, eles transferem energia para os polaritons de plasmon de superfície - ondas eletromagnéticas que viajam ao longo da interface metal-isolante - que então convertem essa energia em fótons.
Mas o que torna esta junção particular mais eficiente em tunelar elétrons inelasticamente é sua geometria e tamanho extremamente pequeno. Ao unir dois cristais únicos de prata em seus cantos com uma pequena barreira de isolante entre eles, pesquisadores essencialmente criaram uma antena óptica de alta qualidade com uma alta densidade local de estados ópticos, resultando em uma conversão mais eficiente de energia eletrônica em luz.
Imagens SEM de junções de túnel baseadas em nanocristais de prata crescidas em diferentes dimensões. Crédito:Haoliang Qian / Nature Photonics
As junções metal-isolante-metal tiveram baixa eficiência de emissão de luz no passado porque foram construídas juntando cristais de metal ao longo de uma face inteira, ao invés de um canto, explicou Liu. Dar aos elétrons uma antena óptica de alta qualidade com uma lacuna muito menor para o túnel permite a emissão de luz eficiente, e este tipo de estrutura tem sido difícil de fabricar com métodos de nanolitografia usados no passado, ele disse.
"Usando química, podemos construir essas junções nanométricas precisas que permitem uma emissão de luz mais eficiente, "disse Tao." As técnicas de fabricação que usamos nos dão controle do nível atômico de nossos materiais - podemos ditar o tamanho e a forma dos cristais em solução com base nos reagentes que usamos, e podemos criar estruturas com faces atomicamente planas e cantos extremamente agudos. "
Com trabalho adicional, a equipe visa aumentar ainda mais a eficiência em outra ordem de magnitude maior. Eles estão explorando diferentes geometrias e materiais para estudos futuros.
