Îndoirea nanoribonilor de diamant reglează emisia de lumină fără dopaj
Cercetătorii au demonstrat că îndoirea nanostructurilor de diamant poate modifica lumina emisă de acestea fără a recurge la dopaj, potrivit unui studiu publicat în Physical Review Letters.
Diamantul este un semiconductor cu bandă interzisă ultra-largă, cu mobilitate ridicată a purtătorilor de sarcină, conductivitate termică mare, emisie de lumină în ultravioletul profund și emisie stabilă de fotoni unici. Aceste proprietăți îl fac un candidat pentru dispozitive electronice și optoelectronice de generație următoare.
Reglarea benzii interzise și a emisiei de lumină este însă dificilă, deoarece dopajul diamantului are limitări, mulți dopanți legând purtătorii de sarcină atât de strâns încât aceștia nu pot fi eliberați la temperatura camerei.
Ingineria deformării elastice, care întinde sau comprimă un material fără a-l deforma permanent, a apărut ca alternativă. Controlul deformării la scară nanometrică rămâne dificil, iar emisia de lumină în diamant depinde de vibrațiile rețelei cristaline numite fononi.
Gradientul de deformare și efectul asupra benzilor de energie
Cercetătorii au pornit de la un diamant monocristalin nedopat, crescut prin depunere chimică din vapori, pe care l-au sculptat în nanoriboni cu un fascicul de ioni focalizat, păstrând structura cristalină continuă. Nanoribonul a fost îndoit cu o microsondă, iar capetele au fost fixate pe suporturi cu platină pentru a menține îndoirea.
La îndoire, partea exterioară a ribonului se întinde, în timp ce partea interioară se comprimă, modificând distanța dintre atomi de-a lungul ribonului. Deformarea a atins un maxim de 1,49%, bine în limita elastică a diamantului.
Măsurătorile prin microscopie electronică de transmisie în scanning combinată cu spectroscopie de pierdere de energie a electronilor au arătat că banda interzisă s-a îngustat de la 5,30 eV în regiunea comprimată la 4,80 eV spre regiunea întinsă, pentru o diferență de deformare de aproximativ 1,9%. Calculele au atribuit acest lucru coborârii în energie a benzii de conducție sub tensiune, în timp ce banda de valență a rămas aproape neschimbată.
Emisia de lumină și fononii
Măsurătorile de catodoluminescență la 80 K au arătat că vârful de emisie s-a deplasat de la 4,93 eV pe partea întinsă la 5,01 eV pe partea comprimată.
Energiile fononilor au scăzut și ele din regiunea comprimată spre cea întinsă, cu până la circa 7 meV în funcție de tipul de vibrație. Acest lucru a afectat luminozitatea emisiei, care a fost cu 36% mai slabă pe partea comprimată, unde energiile fononilor sunt mai mari și mai puțini fononi de energie înaltă sunt disponibili termic la 80 K pentru a asista emisia.
Simulările au arătat că gradientul de deformare lărgește spectrul fononilor. În diamantul nedeformat, un fonon cu un anumit impuls are o energie unică, bine definită, iar sub gradient de deformare același fonon acoperă un interval de energii. Vârful de emisie s-a lărgit astfel la aproximativ 0,70 eV, comparativ cu mai puțin de 0,20 eV în diamantul nedeformat.
Pași următori
Autorul corespondent, Lin Yang de la Universitatea Peking, a declarat că direcția practică necesită integrarea nanoribonului de diamant cu un actuator compact care să controleze precis și repetat deformarea. De asemenea, demonstrația a folosit un fascicul de electroni, iar un pas important este verificarea dacă un control similar poate fi obținut prin pompaj optic sau injecție electrică.
Echipa plănuiește să proiecteze gradienți de deformare care să adapteze spectrul de emisie și să studieze răspunsul emisiei pe măsură ce deformarea se modifică în timp. Extinderea abordării la alți semiconductori cu bandă interzisă largă ar ajuta la determinarea aplicabilității mecanismului și la identificarea materialelor potrivite pentru dispozitive fotonice reglabile mecanic.
