Eine unerwartete Antenne für Nano-Lichtquellen

Die moderne Datenübertragung beruht under anderem darauf, dass sich Information in Form von Lichtstrahlen schnell durch Glasfasern schicken lässt. Technologisch anspruchsvoll sind die Lichtquellen. Forschende der ETH Zürich, der Empa und aus Barcelona haben nun die Basis gelegt für winzig kleine, effiziente Lichtquellen. Für ihre Mini-​Lichtquellen nutzen die Forschenden Regeln der Quantenmechanik und eine überraschende, neue Antennenlösung.

Auf dem schnellen Schalten und Modulieren von Licht beruht unter anderem die moderne Datenübertragung, bei der Informationen in Form modulierter Lichtstrahlen durch Glasfasern geschickt werden. Lichtmodulatoren können schon seit einigen Jahren miniaturisiert und in Chips integriert werden, doch die Lichtquellen selbst – Leuchtdioden (LED) oder Laser – machen den Ingenieur:innen noch Probleme.

Forschende der ETH Zürich unter der Leitung von Lukas Novotny, Professur für Photonik, haben nun gemeinsam mit Kolleg:innen der Empa in Dübendorf und des ICFO – Institute of Photonic Sciences in Barcelona einen neuen Mechanismus gefunden, mit dessen Hilfe in Zukunft winzig kleine, aber dennoch effiziente Lichtquellen hergestellt werden könnten. Die Ergebnisse ihrer Forschungen wurden kürzlich im Fachjournal Nature Materials veröffentlicht.

Das Unerwartete probieren

«Um das zu erreichen, mussten wir zunächst einmal das Unerwartete probieren», sagt Novotny. Schon seit einigen Jahren arbeiten er und seine Mitarbeitenden an Mini-​Lichtquellen, die auf dem Tunneleffekt basieren. Zwischen zwei Elektroden (in diesem Fall aus Gold und Graphen), die durch ein isolierendes Material getrennt sind, können Elektronen nach den Regeln der Quantenmechanik tunneln. Unter bestimmten Umständen – wenn der Tunnelvorgang inelastisch ist, die Energie der Elektronen also nicht erhalten bleibt – kann dabei Licht entstehen.

«Leider ist die Ausbeute dieser Lichtquellen gering, da die Abstrahlung sehr ineffizient ist», erklärt Postdoktorand Sotirios Papadopoulos. Das Abstrahlungsproblem ist in anderen Gebieten der Technik wohlbekannt. In Mobiltelefonen etwa sind die Chips, welche die zur Übertragung nötigen Mikrowellen erzeugen, nur einige Millimeter gross. Die Mikrowellen selbst dagegen haben eine Wellenlänge von etwa 20 Zentimetern und sind damit fast hundert Mal grösser als der Chip. Um diesen Grössenunterschied zu überbrücken, braucht es eine Antenne (die allerdings bei modernen Telefonen von aussen nicht mehr sichtbar ist). Auch in den Experimenten der Zürcher Forschenden ist die Lichtwellenlänge viel grösser als die Lichtquelle.

Halbleiter ausserhalb des Tunnelkontakts

«Nun könnte man meinen, wir hätten bewusst nach einer Antennenlösung gesucht – aber so war es nicht», sagt Papadopoulos. Wie schon andere Gruppen vor ihnen untersuchten die Forscher ein Atom dicke Schichten aus Halbleitermaterialien wie Wolframdisulfid, die zwischen den Elektroden der Tunnelbarriere liegen, um auf diese Weise Licht zu erzeugen. Im Prinzip würde man vermuten, dass sich die optimale Position dafür irgendwo zwischen den beiden Elektroden befindet, vielleicht etwas näher an einer als an der anderen. Stattdessen probierten sie etwas ganz Anderes und brachten den Halbleiter oberhalb der Graphen-​Elektrode auf – also komplett ausserhalb des Tunnelkontakts.

Das ausserhalb des Tunnelkontakts (rechts) aufgebrachte Halbleitermaterial (Wolframdisulfid, WS2) wirkt wie eine Antenne und ermöglicht so, die im Tunnelkontakt erzeugte Energie zu verstärken. (Darstellung: Sotirios Papadopoulos / ETH Zürich)

Überraschende Antennenwirkung

Überraschenderweise funktionierte diese eigentlich widersinnige Position sehr gut. Warum das so war, fanden die Forschenden heraus, indem sie die an den Tunnelkontakt angelegte Spannung variierten und den Strom durch den Tunnelkontakt massen. Dabei sahen sie eine deutliche Resonanz, die mit einer so genannten Exziton-​Resonanz des Halbleitermaterials übereinstimmte. Exzitonen bestehen aus einem positiv geladenem Loch, also einem fehlenden Elektron, und einem durch das Loch gebundenen Elektron und können unter anderem durch Lichteinstrahlung angeregt werden. Die Exziton-​Resonanz zeigte klar, dass der Halbleiter nicht direkt durch Ladungsträger angeregt wurde – schliesslich flossen ja keine Elektronen durch ihn -, sondern dass er die im Tunnelkontakt erzeugte Energie aufnahm und dann abstrahlte. Er wirkte also ähnlich wie eine Antenne.

Anwendung in Nano-​Lichtquellen

«Noch ist diese Antenne allerdings nicht sehr gut, da im Halbleiter so gennannte dunkle Exzitonen entstehen und daher nicht viel Licht abgestrahlt wird», räumt Novotny ein: «Das zu verbessern, ist unsere Bastelarbeit für die nächste Zeit.» Gelingt es, die Lichtabstrahlung durch den Halbleiter effizienter zu machen, so sollte es möglich sein, Lichtquellen herzustellen, die nur wenige Nanometer gross sind und damit tausendmal kleiner als die Wellenlänge des von ihnen erzeugten Lichts. Dadurch, dass keine Elektronen durch den Antennen-​Halbleiter fliessen, gibt es keine unerwünschten Effekte, die normalerweise an Grenzflächen auftreten und die Effizienz schmälern können. «In jedem Fall haben wir hier eine Tür zu neuen Anwendungen aufgestossen», so Novotny. Das Unerwartete zu probieren hat sich also gelohnt.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Lukas Novotny

Originalpublikation:

Wang, L, Papadopoulos, S, Iyikanat, F, Zhang, J, Huang, J, Taniguchi, T, Watanabe, K, Calame, M, Perrin, ML, García de Abajo, FJ, Novotny, L. Exciton-​assisted electron tunnelling in van der Waals heterostructures. Nat. Mater. (2023). https://doi.org/10.1038/s41563-​023-01556-7

https://ethz.ch/de/news-und-veranstaltungen/eth-news/news/2023/07/eine-unerwartete-antenne-fuer-nano-lichtquellen.html