利用先進(jìn)的制造技術(shù)，加利福尼亞大學(xué)圣地亞哥分校的工程師用銀晶體制造了納米級(jí)器件，通過有效地“隧穿”電子穿過微小的屏障，可以產(chǎn)生光。這項(xiàng)工作使等離子體學(xué)研究更接近于實(shí)現(xiàn)用于高速光學(xué)數(shù)據(jù)處理和其他片上應(yīng)用的超緊湊光源。

該裝置通過稱為非彈性電子隧穿的量子力學(xué)現(xiàn)象發(fā)光。在這個(gè)過程中，電子穿過一個(gè)它們不能經(jīng)典交叉的固體屏障。在穿越時(shí)，電子會(huì)失去一些能量，在此過程中產(chǎn)生光子或聲子。

等離子體激元研究人員一直對(duì)使用非彈性電子隧道技術(shù)創(chuàng)造具有大調(diào)制帶寬的極小光源感興趣。然而，因?yàn)橹挥泻苄∫徊糠蛛娮涌梢苑菑椥缘厮泶?，所以發(fā)光效率通常很低 - 最多為百分之幾百。

加州大學(xué)圣地亞哥分校的工程師們創(chuàng)造了一種能夠?qū)⑿侍岣叩酱蠹s2%的設(shè)備。加州大學(xué)圣地亞哥雅各布斯工程學(xué)院電氣和計(jì)算機(jī)工程教授趙昭薇表示，雖然這還不夠?qū)嵱茫@是新型光源的第一步。

“我們正在探索一種新的發(fā)光方式，”劉說。

Liu的團(tuán)隊(duì)使用計(jì)算方法和數(shù)值模擬設(shè)計(jì)了新的發(fā)光器件。加州大學(xué)圣地亞哥雅各布斯工程學(xué)院納米工程教授Andrea Tao實(shí)驗(yàn)室的研究人員使用先進(jìn)的基于溶液的化學(xué)技術(shù)構(gòu)建了該設(shè)備。

該裝置是一種微小的蝴蝶結(jié)形等離子體納米結(jié)構(gòu)，由兩個(gè)長(zhǎng)方體，單晶銀結(jié)合在一起。連接角是一個(gè)1.5納米寬的絕緣體屏障，由一種叫做聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的聚合物制成。

這種微小的金屬 - 絕緣體 - 金屬(銀 - PVP-銀)結(jié)是發(fā)生作用的地方。連接到納米晶體的電極允許將電壓施加到器件。當(dāng)電子從銀納米晶體的一角穿過微小的PVP勢(shì)壘時(shí)，它們將能量傳遞到表面等離子體激元 - 沿著金屬 - 絕緣體界面?zhèn)鞑サ碾姶挪?- 然后將該能量轉(zhuǎn)換為光子。

但是，這種特殊結(jié)在非彈性隧穿電子方面更有效的原因是它的幾何形狀和極小的尺寸。通過將兩個(gè)銀色單晶在其角落處連接在一起，中間有一層微小的絕緣體，研究人員基本上創(chuàng)造了一種高質(zhì)量的光學(xué)天線，具有高的局部光學(xué)狀態(tài)密度，從而更有效地將電子能量轉(zhuǎn)換為光。

金屬 - 絕緣體 - 金屬結(jié)在過去具有如此低的發(fā)光效率，因?yàn)樗鼈兪峭ㄟ^沿整個(gè)面而不是角落連接金屬晶體而構(gòu)造的，Liu解釋說。他說，給電子提供一個(gè)具有更小間隙的高質(zhì)量光學(xué)天線，通過隧道可以實(shí)現(xiàn)高效的光發(fā)射，而且這種結(jié)構(gòu)很難用過去使用的納米光刻方法制造。

“使用化學(xué)，我們可以構(gòu)建這些精確的納米結(jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)更高效的光發(fā)射，”Tao說。“我們使用的制造技術(shù)為我們的材料提供原子水平控制 - 我們可以根據(jù)我們使用的試劑決定溶液中晶體的大小和形狀，我們可以創(chuàng)建具有原子級(jí)平面和極尖角的結(jié)構(gòu)。”

通過額外的工作，該團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是進(jìn)一步提高效率，提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。他們正在探索不同的幾何形狀和材料，以供將來研究。