Ученые ИТМО разработали новый метод усиления фотолюминесценции кремния. Физики спроектировали метаповерхность, которая в 10 тысяч раз увеличивает способность кремния поглощать и излучать частицы света при максимально маленьком объеме активного материала. Это позволит создавать более быстрые и энергоэффективные устройства коммуникации, а также приборы наноспектроскопии для медицины, науки и промышленности. Результаты исследования были опубликованы в журнале ACS Photonics.

Разработанный учеными ИТМО источник света на основе кремния. Источник: ACS Photonics

От длительной и интенсивной работы электронные устройства сильно нагреваются. Вспомните, каким горячим становится ваш телефон после долгого просмотра видео или прохождения игр. Решить эту проблему могут помочь фотоны — частицы света. В оптических системах они выполняют ту же функцию, что и электроны в привычной для нас электронике, при этом «выделяют» вовне значительно меньше тепловой энергии. Кроме того, фотоны в сравнении с электронами позволяют выполнять логические операции в разы быстрее.

Чтобы перейти к оптическим вычислительным системам, нужно заменить электронные компоненты, в основе которых лежат интегральные схемы, на оптические аналоги. Однако почти все современные электронные устройства «работают» на кремнии: из него делают большинство компонентов для сбора, обработки и хранения информации, так как он относительно дешевый и долговечный. Кремний уже стал основой для некоторых компонентов оптических систем, но популярности в качестве источника излучения не нашел. Причина в его низкой квантовой эффективности — мере световой чувствительности, которая выражает количественную разницу между поглощенными и излученными фотонами.

Ученые ИТМО нашли способ, как увеличить квантовую эффективность кремния в 10 тысяч раз — с 10^-7 до 10^-3. Они разработали метаповерхность, которая служит «ловушкой» для фотонов и «удерживает» их в области, где есть кремний. Такие структуры создают методом литографии из золота — этот металл слабо взаимодействует с воздухом, у него низкие потери в видимом диапазоне длин волн и из него легко изготавливать подобные конструкции. На поверхности золотой пленки формируют периодический массив золотых цилиндров, оставляя между ними и пленкой нанометровый зазор. После в этом зазоре располагают и сам кремний.

«За счет этой специфической геометрии мы добиваемся появления оптического резонанса. Падающий на структуру свет определенной волны локализуется в зазоре между золотой пленкой и дисками и начинает более активно взаимодействовать с кремнием. Причем оптические резонансы настроены так, чтобы эффективно поглощать ближний инфракрасный свет и стимулировать оптические переходы в видимом диапазоне. Так мы получаем эффективный источник излучения на основе кремния. Кроме того, наша структура излучает широкополосный белый свет, который состоит из всех цветов радуги и немного ближнего инфракрасного диапазона длин волн. Это очень полезное свойство для оптических вычислительных систем, так как мы можем работать сразу с несколькими видами излучения, а не только с излучением одного цвета», — отмечает автор исследования, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник физического факультета ИТМО Артем Ларин.

Еще одно преимущество разработанного источника света на основе кремния — рекордно маленький объем необходимого для его создания активного материала. Объем кремния, из которого удалось получить свет, равен размеру сферы диаметром всего 50 нанометров.

Такие структуры необходимы для разработки более эффективных, быстрых и энергоэкономичных устройств коммуникации, приборов для наноспектроскопии и ближнепольной микроскопии, которые используют в медицине, науке и даже промышленности.

Над исследованием работали участники научной группой гибридных нанофотонных систем ведущего научного сотрудника физического факультета ИТМО Дмитрия Зуева.