Technologie Stichting STW

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