Gepubliceerd op 29 november 2010
Lichtemissie ontdekt uit silicium nanokristallen
Samenwerking met Russische collega's gepubliceerd in Nature Nanotechnology
Gepubliceerd op 29 november 2010
Silicium
Onderzoekers van de Universiteit van Amsterdam (UvA) hebben een variant
van het uitzenden van licht in silicium nanokristallen waargenomen die
tot op heden voor onmogelijk werd gehouden. De resultaten zijn
gepubliceerd in een Advance Online Publication van Nature
Nanotechnology. De nu ontdekte vorm van lichtemissie uit silicium
nanokristallen is duizend keer hoger dan die uit silicium op zich. Een
lichtbron gebaseerd op silicium zou dus toch mogelijk kunnen zijn,
aldus de onderzoekers.
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
opto-elektronische toepassingen in silicium. Daar komt nu mogelijk
verandering in door het onderzoek van UvA-wetenschappers Wieteke de
Boer, Dolf Timmerman, Katerina Dohnalová, Tom Gregorkiewicz (allen Van
der Waals-Zeeman Instituut) en Wybren Jan Buma (Van 't Hoff Instituut
voor Moleculaire Wetenschappen) en wetenschappers van het Ioffe
Fysisch-Technisch Instituut in St. Petersburg in Rusland.
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 (bestaande uit 1000
tot 10000 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 het
nanokristal kleiner wordt gemaakt, verschuift de golflengte van het
uitgezonden licht richting blauw. Hoewel wetenschappers al ongeveer
twintig jaar 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 de nanokristallen worden ingebouwd van grote invloed is.
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.
Ultrasnelle zichtbare emissie uit nanokristallen
UvA-promovendus Wieteke de Boer, werkzaam in de groep van
UvA-hoogleraar Opto-eletronic materials Tom Gregorkiewicz, stelt nu dat
een specifieke emissie die zij en haar collega's 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 collega's 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
`conventionele' 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 `nieuwe' emissie duizend maal hoger is dan in bulk
silicium. Deze extra emissie kan volgens de onderzoekers gezien worden
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.
Dit onderzoek is mede gefinancierd door Technologiestichting STW, de
Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM) en de
Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO).
Publicatiegegevens
W. de Boer, D. Timmerman, K. Dohnalová, I. Yassievich, H. Zhang, W. J.
Buma en T. Gregorkiewicz: Red spectral shift and enhanced quantum
efficiency in phonon-free photoluminescence from silicon nanocrystals.
Advance Online Publication, Nature Nanotechnology, 28 november 2010.
Universiteit van Amsterdam