Laser bazujący na nanodrutach

Spektrum zastosowań laserów półprzewodnikowych w obszarze współczesnej technologii jest bardzo szerokie, począwszy od odczytu informacji zapisanych na płytach CD/ DVD, a kończąc na oczyszczaniu wody pitnej. Dzięki urządzeniu opracowanemu przez naukowców z USA lista potencjalnych zastosowań laserów może się jednak znacznie wydłużyć.

Ultrafioletowe wyzwanie

Ilość informacji jaką można zapisać na płycie CD jest silnie uzależniona od rozmiaru wgłębień (ang. pit ) na jej powierzchni – im mniejsze, tym więcej informacji zmieści się na płycie. Rozmiar wgłębienia musi być jednak tak dobrany, aby laser mógł z łatwością odczytać zapisaną na nim informację. Minimalna wielkość pitu jest określona przez limit dyfrakcyjny i wynosi połowę długości fali światła laserowego. Aby więc móc zapisać coraz to większą ilość danych, koniecznym było stworzenie nowych technologii wykorzystujących lasery o coraz krótszej długości fali. Na przykład, w odtwarzaczu audio CD wykorzystuje się laser o długości fali 780 nm (bliska podczerwień), w odtwarzaczu DVD – czerwone światło laserowe (657 nm), z kolei w urządzeniach Blu-ray – światło fioletowe o długości fali 405 nm. Wydaje się więc oczywistym, że następnym krokiem powinno być skonstruowanie ultrafioletowego lasera.

Głównym elementem każdego lasera półprzewodnikowego jest złącze p-n składające się z obszaru typu n zawierającego nadwyżkę elektronów oraz obszaru typu p posiadającego nadwyżkę dodatnio naładowanych dziur. Przyłożenie napięcia do takiej struktury powoduje wzbudzenie elektronów do wyższych stanów energetycznych i następnie ich rekombinację z dziurami. Następstwem tego zjawiska jest emisja światła w postaci fotonów. Długość fali emitowanego światła zależy od przerwy energetycznej danego półprzewodnika, która może wynosić od dziesiątych części elektronowolta do kilku elektronowoltów (ozn. eV). Aby więc stworzyć laser ultrafioletowy konieczne będzie użycie półprzewodnika o przerwie energetycznej większej niż 3 eV. Idealnym materiałem spełniającym ten warunek wydawał się być azotek galu (GaN), jednakże ze względu na jego małą efektywność emisji światła w temperaturze pokojowej (zbyt duże ilości ciepła uwalniane podczas procesów rekombinacji nośników), odstąpiono od jego użycia.

Jak stworzyć złącze p-n?

Aby rozwiązać powyższy problem, zespół badaczy z USA zdecydował się na użycie tlenku cynku (ZnO) – półprzewodnika o przerwie energetycznej zbliżonej do GaN. Wyzwaniem, w tym przypadku, było jednak stworzenie złącza p-n: ZnO łatwo domieszkuje się na typ n, trudniej natomiast wytworzyć z jego użyciem obszar typu p. Z wcześniejszych badań naukowców wynikało, że domieszkowanie ZnO niewielką ilością atomów antymonu powinno „wyprodukować” określoną koncentrację dziur. Jednak trudność tego przedsięwzięcia polegała na wyhodowaniu jednego kryształu zawierającego zarówno obszar typu n, jak i p. Naukowcy rozwiązali ten problem poprzez wyhodowanie nanodrutów (długich, cienkich kryształów) z tlenku cynku domieszkowanego antymonem na cienkiej warstwie czystego tlenku cynku (zobacz powyższy rysunek). Wytworzone nanodruty miały średnicę równą około 200 nanometrów i długość około 3 mikrometrów. Przeprowadzone badania wykazały, że tak skonstruowane urządzenie wytwarza światło o różnych długościach fali oscylujących wokół 385 nm.

Konieczne dalsze udoskonalenia

Jeden z naukowców, który nie był bezpośrednio zaangażowany w prace nad tym projektem, jest pod wrażeniem uzyskanego wyniku i uważa, że technologia ta powinna być nieustannie rozwijana. „(..) Prawdziwy potencjał nanodrutów będzie wykorzystany tylko wtedy, gdy z każdego pojedynczego nanodrutu będzie można z łatwością wytwarzać diody laserowe. A to nadal pozostaje dużym wyzwaniem w tej dziedzinie”, powiedział. „Mam nadzieję, że w przyszłości przy pomocy takich małych laserów będzie można przeprowadzać podstawowe biomedyczne i biologiczne badania pojedynczych komórek i tkanek, a nawet niszczyć wirusy”.

Artykuł pochodzi ze strony: physicsworld.com