Wél licht uit silicium mogelijk
zondag 28 november 2010
De hele microelektronica is gebaseerd op silicium, een element dat in
grote hoeveelheden op aarde voorkomt. Eén ding kan silicium echter
niet goed: licht uitzenden. Daarom zijn lasers en LEDs gemaakt van
zeldzamere en dus duurdere elementen, en zijn er nog geen goed werkende
optoelektronische toepassingen in silicium. Daar komt nu mogelijk
verandering in door onderzoek van wetenschappers bij de Universiteit
van Amsterdam en het Ioffe Fysisch-Technisch Instituut in St.
Petersburg in Rusland. Zij hebben een variant van het uitzenden van
licht in silicium nanokristallen waargenomen die tot op heden door
specialisten voor onmogelijk werd gehouden. De onderzoekers publiceren
hun bevindingen in een Advance Online Publication van Nature
Nanotechnology die op 28 november 2010 verschijnt. De nu ontdekte vorm
van lichtemissie uit silicium nanokristallen is 1000 keer hoger dan die
uit silicium op zich. Een lichtbron gebaseerd op silicium zou dus toch
mogelijk kunnen zijn, aldus de onderzoekers.
Silicium is een halfgeleider die populair is geworden door de
uitvinding van de siliciumtransistor. Bovendien is het element zeer
veel aanwezig op aarde, wat het erg aantrekkelijk maakt voor
grootschalige toepassingen. Helaas is silicium minder geschikt als
lichtbron, dus voor het uitzenden (emissie) van lichtdeeltjes
(fotonen). De karakteristieke materiaaleigenschappen van silicium
zorgen ervoor dat het overgrote deel van energie die kan worden
gebruikt voor het uitzenden van fotonen, wordt omgezet in warmte. Dat
is één van de redenen dat zonnecellen van silicium een laag rendement
hebben. Voor het maken van een efficiënte lichtbron gebaseerd op
silicium is dit natuurlijk helemaal nadelig.
Silicium manipuleren
Er zijn verschillende manieren om silicium zo te manipuleren dat het
toch licht uitzendt. Een populaire aanpak is het bewerken van silicium
tot nanokristallen, ook wel quantum dots genoemd (ze bestaan uit
slechts 1.000 tot 10.000 atomen). Bij die kleine afmetingen gaan
allerlei kwantumeffecten een belangrijke rol spelen. Eén van de
belangrijkste consequenties is dat je zo de golflengte (ofwel de kleur)
van het licht dat silicium uitzendt, kunt veranderen. Normaal
produceert silicium licht in het infrarood, maar naarmate je het
nanokristal kleiner maakt, verschuift de golflengte van het uitgezonden
licht richting blauw. Een andere belangrijke consequentie is dat er
steeds efficiënter fotonen worden uitgezonden: er wordt dus meer
energie omgezet in licht in plaats van warmte.
Verschillende emissies van nanokristallen
Hoewel wetenschappers al zoân jaar of 20 nanokristallen kunnen maken,
zijn nog steeds veel eigenschappen van die nanokristallen niet in kaart
gebracht of slecht begrepen. Dat komt omdat materialen op nanoschaal
vaak ingewikkelde complicaties met zich meebrengen. Zo ontdekte men dat
het materiaal waarin je de nanokristallen moet inbouwen (je kunt ze
niet los bij elkaar brengen) van grote invloed is. Dat
âdragermateriaalâ kan de âmateâ van de kwantumeffecten enorm
beïnvloeden en kan daarbij ook nog eens zelf licht gaan uitzenden. Dit
laatste wil je natuurlijk voorkomen, omdat je anders niet meer weet hoe
hoeveel licht en bij welke golflengte van de nanokristallen afkomstig
is. Hierover bestaat nog altijd veel discussie.
Dit geldt ook voor de nanokristallen die de onderzoekers uit Amsterdam
hebben gebruikt. Hun kristallen zitten in een matrix van glas. Dit is
een erg geliefde combinatie, omdat het hele stabiele kwaliteit en
eigenschappen geeft en relatief makkelijk te fabriceren is. Voor deze
configuratie is al sinds de jaren â80 bekend dat de kleur van het
geproduceerde licht verschuift van het infrarood naar golflengtes net
in het zichtbare gebied (rood) naarmate de nanokristallen kleiner
worden. De onderzoekers zagen behalve de âgebruikelijkeâ
nanokristal-gerelateerde golflengtes ook andere, afkomstig van de
matrix.
Ultrasnelle zichtbare emissie uit nanokristallen
Eerste auteur en STW-onderzoeker Wieteke de Boer uit de groep van Tom
Gregorkiewicz van de Universiteit van Amsterdam claimt nu dat een
specifieke emissie die zij en haar collegaâs in dit onderzoek hebben
waargenomen inderdaad aan de nanokristallen toegeschreven kan worden.
Tot nog toe is van deze specifieke emissie meestal aangenomen dat die
afkomstig is van de glasmatrix; systematisch onderzoek is er niet
eerder naar verricht. Dat hebben De Boer en collegaâs nu wel gedaan,
met dus een verrassende uitkomst.
Ze vonden in hun onderzoek dat de waargenomen emissie karakteristieke
eigenschappen heeft als gevolg van kwantumeffecten, wat een belangrijk
argument is dat deze emissie niet gerelateerd is aan de matrix, maar
aan de nanokristallen zelf. Immers, als deze emissie van de matrix
afkomstig zou zijn, dan zou deze niet of nauwelijks beïnvloed worden
door de grootte van de nanokristallen. Om deze hypothese over de
emissie te bevestigen, hebben de onderzoekers theoretische modellen
gemaakt over de materiaaleigenschappen van silicium nanokristallen.
Deze lieten zien dat door de kwantumeffecten meer emissies mogelijk
zijn dan in bulk silicium, met exact de eigenschappen die in de
experimenten gevonden zijn: voor kleinere nanokristallen vertoont de
golflengte geen blauwverschuiving zoals de âconventioneleâ emissie uit
een silicium nanokristal, maar een roodverschuiving. In bulk silicium
zou de kleur van deze emissie in het ultraviolet liggen, maar voor
nanokristallen verschuift deze naar het zichtbare gebied. Bovendien
blijkt uit de experimenten dat de efficiëntie van deze ânieuweâ
emissie 1000 maal hoger is dan in bulk silicium. Deze extra emissie
kunnen we, zo stellen de onderzoekers, dus zien als energie die niet is
omgezet in warmte, zoals het geval is in gewoon silicium, maar in extra
licht (in het zichtbare gebied). Zichtbare emissie is dus toch mogelijk
van silicium nanokristallen!
Referentie:
Wieteke de Boer^1, Dolf Timmerman^1, Katerina Dohnalovà^1, Irina
Yassievich^2, Hong Zhang^3, Wybren Jan Buma^3 en Tom Gregorkiewicz^1,
Red spectral shift and enhanced quantum efficiency in phonon-free
photoluminescence from silicon nanocrystals, Advance Online
Publication, Nature Nanotechnology, 28 november 2010.
^1 Van der Waals-Zeeman Instituut, Universiteit van Amsterdam,
^2 Ioffe Fysisch-Technisch Instituut, St. Petersburg, Rusland
^3 Van ât Hoff Instituut voor Moleculaire Wetenschappen, Universiteit
van Amsterdam
Dit onderzoek is mede gefinancierd door Technologiestichting STW, de
Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM) en de
Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO). Wieteke
de Boer werkt op een STW-project, Dolf Timmerman heeft een
Toptalent-subsidie van NWO. FOM financiert postdoc Katerina Dohnalovà
en financierde gastonderzoeker Irina Yassievich.
Voor de redactie:
Meer informatie bij drs. Wieteke de Boer, e-mail W.D.A.M.deBoer@uva.nl,
wboerscience@gmail.com of prof.dr. Tom Gregorkiewicz, e-mail
T.Gregorkiewicz@uva.nl, telefoon 020 â 5255643.
De illustraties zijn beschikbaar in hoge resolutie. Ze kunnen worden
aangevraagd via pr@stw.nl
Silicium nanokristallen. Afhankelijk van hun afmetingen zenden ze
verschillende kleuren licht uit. Foto Van der Waals-Zeeman Instituut,
Universiteit van Amsterdam
De hoofdauteurs van het artikel: links Wieteke de Boer en Dolf
Timmerman, rechts Katerina Dohnalovà en Tom Gregorkiewicz.
Foto Van der Waals-Zeeman Instituut, Universiteit van Amsterdam
Technologie Stichting STW