Inas Lattice Schematic 2
Thông tin công nghệ

Sự phá vỡ cấu trúc nguyên tử cho phép các kỹ sư bẻ cong ánh sáng để tăng cường chuyển đổi bước sóng

Giản đồ của mạng tinh thể InAs tiếp xúc với một mảng nanoantenna bẻ cong ánh sáng tới để nó bị giới hạn chặt chẽ xung quanh bề mặt nông của chất bán dẫn. Điện trường khổng lồ được tạo ra trên bề mặt của chất bán dẫn làm tăng tốc các electron kích thích quang, sau đó giải phóng năng lượng bổ sung mà chúng thu được bằng cách bức xạ nó ở các bước sóng quang học khác nhau. Tín dụng: Deniz Turan / UCLA

Các kỹ sư điện từ Trường Kỹ thuật UCLA Samueli đã phát triển một cách hiệu quả hơn để chuyển đổi ánh sáng từ bước sóng này sang bước sóng khác, mở ra cánh cửa cho những cải tiến trong hiệu suất của hệ thống hình ảnh, cảm biến và truyền thông.

Mona Jarrahi, giáo sư kỹ thuật điện và máy tính tại UCLA Samueli, đã dẫn đầu nghiên cứu đã xuất bản của Nature Communications.

Việc tìm ra một cách hiệu quả để chuyển đổi bước sóng ánh sáng là rất quan trọng đối với việc cải tiến nhiều công nghệ cảm biến và hình ảnh. Ví dụ, chuyển đổi ánh sáng tới thành các bước sóng terahertz cho phép chụp ảnh và cảm nhận trong môi trường không rõ ràng về mặt quang học. Tuy nhiên, các khung chuyển đổi trước đây không hiệu quả và yêu cầu các thiết lập quang phức tạp và cồng kềnh.

Nhóm nghiên cứu do UCLA đứng đầu đã nghĩ ra một giải pháp để nâng cao hiệu quả chuyển đổi bước sóng bằng cách khám phá một hiện tượng tự nhiên thường không mong muốn nhưng được gọi là trạng thái bề mặt bán dẫn.

Trạng thái bề mặt xảy ra khi các nguyên tử bề mặt có không đủ số lượng các nguyên tử khác để liên kết, gây ra sự phá vỡ cấu trúc nguyên tử. Các liên kết hóa học không hoàn chỉnh này, còn được gọi là “liên kết treo”, gây ra rào cản cho các điện tích chạy qua các thiết bị bán dẫn và ảnh hưởng đến hiệu suất của chúng.

Jarrahi, người đứng đầu Phòng thí nghiệm Điện tử UCLA Terahertz cho biết: “Đã có nhiều nỗ lực để ngăn chặn ảnh hưởng của trạng thái bề mặt trong các thiết bị bán dẫn mà không nhận ra rằng chúng có các đặc tính điện hóa độc đáo có thể kích hoạt các chức năng chưa từng có của thiết bị”.

Hình ảnh chụp, kính hiển vi và kính hiển vi điện tử quét của một mảng nanoantenna được chế tạo đặt ở đầu sợi quang để chuyển đổi bước sóng quang học sang terahertz. Tín dụng: Deniz Turan / UCLA

Trên thực tế, vì những liên kết không hoàn chỉnh này tạo ra một điện trường tích hợp nông nhưng khổng lồ trên bề mặt chất bán dẫn, các nhà nghiên cứu đã quyết định tận dụng các trạng thái bề mặt để cải thiện việc chuyển đổi bước sóng.

Ánh sáng tới có thể đập vào các electron trong mạng tinh thể bán dẫn và chuyển chúng đến trạng thái năng lượng cao hơn, tại thời điểm đó chúng tự do nhảy xung quanh trong mạng tinh thể. Điện trường được tạo ra trên bề mặt của chất bán dẫn tăng tốc hơn nữa các electron năng lượng cao, kích thích quang này, sau đó giải phóng năng lượng bổ sung mà chúng thu được bằng cách bức xạ nó ở các bước sóng quang học khác nhau, do đó chuyển đổi các bước sóng.

Tuy nhiên, sự trao đổi năng lượng này chỉ có thể xảy ra ở bề mặt của chất bán dẫn và cần phải hiệu quả hơn. Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu đã kết hợp một mảng nanoantenna có thể bẻ cong ánh sáng tới để nó bị giới hạn chặt chẽ xung quanh bề mặt nông của chất bán dẫn.

Deniz Turan, tác giả chính của nghiên cứu và là thành viên của phòng thí nghiệm nghiên cứu của Jarrahi, người vừa tốt nghiệp tiến sĩ điện kỹ thuật từ UCLA Samueli.

Các nhà nghiên cứu đã chuyển đổi thành công và hiệu quả chùm ánh sáng có bước sóng 1.550 nanomet thành phần terahertz của quang phổ, từ bước sóng 100 micromet đến 1 milimet. Nhóm nghiên cứu đã chứng minh hiệu quả chuyển đổi bước sóng bằng cách kết hợp công nghệ mới vào một đầu dò nội soi có thể được sử dụng để chụp ảnh in-vivo chi tiết và quang phổ bằng sóng terahertz.

Nếu không có bước đột phá này trong chuyển đổi bước sóng, nó sẽ cần mức công suất quang gấp 100 lần để đạt được cùng một sóng terahertz, điều mà các sợi quang học mỏng được sử dụng trong đầu dò nội soi không thể hỗ trợ. Tiến bộ có thể áp dụng cho việc chuyển đổi bước sóng quang học trong các phần khác của phổ điện từ, từ bước sóng vi ba đến bước sóng hồng ngoại xa.

Tham khảo: 30 tháng 7 năm 2021, Nature Communications .
DOI: 10.1038 / s41467-021-24957-1

Hai thành viên bổ sung của nhóm nghiên cứu của Jarrahi, Ping Keng Lu và Nezih Yardimci, là đồng tác giả của nghiên cứu. Các đồng tác giả khác đến từ Đại học Kỹ thuật Darmstadt ở Đức và Phòng thí nghiệm Ames, một phòng thí nghiệm của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) liên kết với Đại học Bang Iowa.

Văn phòng Nghiên cứu Hải quân đã hỗ trợ nghiên cứu và DOE đã cung cấp một khoản tài trợ cho Turan.

Theo Scitechdaily

What's your reaction?

Excited
0
Happy
0
In Love
0
Not Sure
0

You may also like

Leave a reply

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

Website này sử dụng Akismet để hạn chế spam. Tìm hiểu bình luận của bạn được duyệt như thế nào.