兼具电学光学性质的光子晶体研制成功

上一篇 / 下一篇  2011-08-31 13:39:07

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据美国物理学家组织网7月24日报道,美国科学研发出了一种新方法,改变了半导体的三维结构,使其在保持电学特性的同时拥有了新的光学性质,并据此研制出了首块光学电学性能都很活跃的新型光子晶体,为以后研制出新式太阳能电池、激光器、超材料等打开了大门。研究发表在最新一期《自然—材料学》杂志上。

光子晶体材料具有独特的物理结构,它能采用不同于传统光学材料和设备的特殊方式诱发非同寻常的现象并影响光子的行为,可广泛应用于激光器、太阳能设备、超材料等中。之前由科学家们研制出的光子晶体只能得到用光学方法激活的设备,这些设备能引导光,但无法被电所激活,因此,其无法将电变成光或相反。

伊利诺斯大学材料科学和工程学教授保罗·布劳恩领导的科研团队研制出的最新光子晶体却兼具光学和电学性质。该研究的参与者埃里克·尼尔森解释道,新光子晶体可以让光学和电学性能同时达到最优化,这就使人们能更好地控制光的散射、吸收以及增强。

为了制造出该三维光子晶体,科学家们先让一些细小的球簇拥在一起形成一块模板,接着,他们将一种广泛应用于半导体中的材料化镓(GaAs)沉积在模板上,让砷化镓通过模板填充球之间的缝隙。

砷化镓作为单个晶体开始从下往上生长,这个过程被称作外延生长技术,工业界一般使用该技术来制造平的、二维的单晶体半导体薄膜,但布劳恩团队却对这种技术进行了升级改造,用来制造错综复杂的三维结构。

这种自下而上的外延生长技术消除了制造三维光子结构普遍采用的自上而下构造方法可能导致的很多缺陷。另一个好处是,它让制造出层层堆积而成的半导体异质结构变得更方便。例如,可以通过先用砷化镓部分填充该模板,再用另一种材料填满,从而将一个量子势阱层引入光子晶体中。

一旦该模板被填满,科学家们就会移除球体,只留下一个复杂多孔的单晶体半导体三维结构;接着,他们用一层非常纤薄的具有更宽频带间隙的半导体包裹住整个结构以改进其性能并阻止表面复合。

该研究团队使用这项技术制造出了首块三维光子晶体发光二极管。这表明,使用这种概念能制造出功能性的设备。现在,布劳恩团队正在努力优化这种方法,以制造出特定功能的太阳能电池、超材料或低阈激光器等。

尼尔森表示,最新研究显示,可以通过改变设备的几何形状来获得任何性能,我们可以朝着这个方向前进,研制出各种超高效的新能源设备。

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Epitaxial growth of three-dimensionally architectured optoelectronic devices

Erik C. Nelson; Neville L. Dias; Kevin P. Bassett; Simon N. Dunham; Varun Verma; Masao Miyake; Pierre Wiltzius; John A. Rogers; James J. Coleman; Xiuling Li; Paul V. Braun

Optoelectronic devices have long benefited from structuringin multiple dimensions on microscopic length scales. However, preserving crystal epitaxy, a general necessity for good optoelectronic properties, while imparting a complex three-dimensional structure remains a significant challenge. Three-dimensional (3D) photonic crystals are one class of materials where epitaxy of 3D structures would enable new functionalities. Many 3D photonic crystal devices have been proposed, including zero-threshold lasers1, 2, low-loss waveguides3, 4, 5, high-efficiency light-emitting diodes (LEDs) and solar cells6, 7, 8, but have generally not been realized because of material limitations. Exciting concepts in metamaterials, including negative refraction and cloaking, could be made practical using 3D structures that incorporate electrically pumped gain elements to balance the inherent optical loss of such devices9. Here we demonstrate the 3D-template-directed epitaxy of group III–V materials, which enables formation of 3D structured optoelectronic devices. We illustrate the power of this technique by fabricating an electrically driven 3D photonic crystal LED.


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