Silicium-led toch mogelijk?

De hele microelektronica is gebaseerd op silicium, een element dat in grote hoeveelheden op aarde voorkomt. Eén ding kan silicium echter niet goed: licht uitzenden. Daarom zijn lasers en led's gemaakt van zeldzamere en dus duurdere elementen, en zijn er nog geen goed werkende opto-elektronische toepassingen in silicium. Daar komt nu mogelijk verandering in door het onderzoek van UvA-wetenschappers Wieteke de Boer, Dolf Timmerman, Katerina Dohnalová, Tom Gregorkiewicz (allen Van der Waals-Zeeman Instituut) en Wybren Jan Buma (Van 't Hoff Instituut voor Moleculaire Wetenschappen) en wetenschappers van het Ioffe Fysisch-Technisch Instituut in St. Petersburg in Rusland.

Silicium manipuleren

Er zijn verschillende manieren om silicium zo te manipuleren dat het toch licht uitzendt. Een populaire aanpak is het bewerken van silicium tot nanokristallen, ook wel quantum dots genoemd (bestaande uit 1000 tot 10000 atomen). Bij die kleine afmetingen gaan allerlei kwantumeffecten een belangrijke rol spelen.

Eén van de belangrijkste consequenties is dat je zo de golflengte (ofwel de kleur) van het licht dat silicium uitzendt, kunt veranderen. Normaal produceert silicium licht in het infrarood, maar naarmate het nanokristal kleiner wordt gemaakt, verschuift de golflengte van het uitgezonden licht richting blauw. Hoewel wetenschappers al ongeveer twintig jaar nanokristallen kunnen maken, zijn nog steeds veel eigenschappen van die nanokristallen niet in kaart gebracht of slecht begrepen. Dat komt omdat materialen op nanoschaal vaak ingewikkelde complicaties met zich meebrengen. Zo ontdekte men dat het materiaal waarin de nanokristallen worden ingebouwd van grote invloed is.
Dit geldt ook voor de nanokristallen die de onderzoekers uit Amsterdam hebben gebruikt. Hun kristallen zitten in een matrix van glas. Dit is een erg geliefde combinatie, omdat het hele stabiele kwaliteit en eigenschappen geeft en relatief makkelijk te fabriceren is.

Ultrasnelle zichtbare emissie uit nanokristallen

UvA-promovendus Wieteke de Boer, werkzaam in de groep van UvA-hoogleraar Opto-eletronic materials Tom Gregorkiewicz, stelt nu dat een specifieke emissie die zij en haar collega's in dit onderzoek hebben waargenomen inderdaad aan de nanokristallen toegeschreven kan worden. Tot nog toe is van deze specifieke emissie meestal aangenomen dat die afkomstig is van de glasmatrix; systematisch onderzoek is er niet eerder naar verricht. Dat hebben De Boer en collega's nu wel gedaan, met dus een verrassende uitkomst.

Ze vonden in hun onderzoek dat de waargenomen emissie karakteristieke eigenschappen heeft als gevolg van kwantumeffecten, wat een belangrijk argument is dat deze emissie niet gerelateerd is aan de matrix, maar aan de nanokristallen zelf. Immers, als deze emissie van de matrix afkomstig zou zijn, dan zou deze niet of nauwelijks beïnvloed worden door de grootte van de nanokristallen.

Roodverschuiving

Om deze hypothese over de emissie te bevestigen, hebben de onderzoekers theoretische modellen gemaakt over de materiaaleigenschappen van silicium nanokristallen. Deze lieten zien dat door de kwantumeffecten meer emissies mogelijk zijn dan in bulk silicium, met exact de eigenschappen die in de experimenten gevonden zijn: voor kleinere nanokristallen vertoont de golflengte geen blauwverschuiving zoals de ‘conventionele' emissie uit een silicium nanokristal, maar een roodverschuiving. In bulk silicium zou de kleur van deze emissie in het ultraviolet liggen, maar voor nanokristallen verschuift deze naar het zichtbare gebied. Bovendien blijkt uit de experimenten dat de efficiëntie van deze ‘nieuwe' emissie duizend maal hoger is dan in bulk silicium. Deze extra emissie kan volgens de onderzoekers gezien worden als energie die niet is omgezet in warmte, zoals het geval is in gewoon silicium, maar in extra licht (in het zichtbare gebied). Zichtbare emissie is dus toch mogelijk van silicium nanokristallen.

Dit onderzoek is mede gefinancierd door Technologiestichting STW, de Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM) en de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO).

Referentie

W. de Boer, D. Timmerman, K. Dohnalová, I. Yassievich, H. Zhang, W. J. Buma en T. Gregorkiewicz: Red spectral shift and enhanced quantum efficiency in phonon-free photoluminescence from silicon nanocrystals. Advance Online Publication, Nature Nanotechnology, 28 november 2010.