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Deterministic coupling between SITE-controlled, dilute nitride-based LighT Emitters and tailor-made photonic-crystal structures

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Interessante optische Quantenbauelemente

Photonische Kristalle (Photonic Crystals, PHC) sind periodische optische Strukturen, welche die Emission und Ausbreitung von Licht beeinflussen oder steuern. Wissenschaftler haben nun eine Möglichkeit entwickelt, in diesen einzelne Quantenpunkte (Quantum Dots, QD) zu platzieren, was spannende neue Anwendungen in der Photonik in greifbare Nähe rückt.

Industrielle Technologien

Photonen abzugrenzen und zu führen, ist Bestandteil wichtiger Anwendungen in Laser- und LED-Technologien (lichtemittierende Dioden), da die spontane Emission in Mikrohohlräumen im Vergleich zu der im freien Raum stark verstärkt werden kann. Das Phänomen kann man auch in der Telekommunikation und bei Speichervorrichtungen sowie sogar bei Sensoren für die Biomedizin ausnutzen. Die kontrollierte Anordnung von Nanoemittern wie etwa Quantenpunkten in Hohlräumen von photonischen Kristallen könnte einen Ansatzpunkt zur in Echtzeit erfolgenden, ultraschnellen Steuerung von Strahlungsprozessen einschließlich spontaner Emission bieten. Man geht davon aus, das Gebiet der Nanophotonik voranzubringen und damit den Weg zur Realisierung von komplexen photonischen Schaltkreisen einschließlich PhC-Routern, Schaltern und Verzögerungsleitungen zu ebnen. EU-finanzierte Wissenschaftler nutzten durch die Arbeit am SITELITE-Projekt neue Verfahren zur Herstellung von örtlich gesteuerten Nanoemittern und PhC-Kavitäten. Das endgültige Ziel ist die Integration der PhC-Strukturen in die Lichtsender. Der erste Schritt bestand darin, den Prozess zur Erzeugung von örtlich gesteuerten Nanoemittern über die räumlich selektive Hydrierung von verdünnten Nitridhalbleitermaterialien zu optimieren. Verdünnte Nitride verfügen über einzigartige Eigenschaften, die sich von denen konventioneller Halbleiter unterscheiden, wozu eine starke Abhängigkeit der Bandlücke vom Stickstoffgehalt zählt, was sie für Anwendungen von der langwelligen Optoelektronik bis zur Photonik interessant macht. Die Forscher verbesserten die Eigenschaften von durch den auch als In-plane-Bandlücken-Engineering bezeichneten Prozess hergestellten Quantenpunkten und erzielten Einzelphotonenemission. Ein vereinfachter einstufiger Anwendungsprozess ergibt nun unmittelbar nach der Elektronenstrahllithografie eine fertige Maske und erleichtert eine signifikante Vermehrung erfolgreich verarbeiteter Proben. Weitere Untersuchungen zu den Dehnungseigenschaften, moduliert durch die räumlich selektive Hydrierung von verdünnten Nitriden, weisen den Weg zur Steuerung des Ausmaßes der Polarisation und der Ausrichtung von drahtähnlichen Strukturen. Dazu erzeugte man ein stark anisotropes H-induziertes Dehnungsfeld in der Ebene der Probe. Diesem Ansatz folgt man auch bei der Entwicklung zur Realisierung maßgeschneiderter röntgenphotonischer Strukturen. Die Wissenschaftler erdachten dann eine einfache, wissensbasierte Methode zur Gestaltung von PhC-Kavitäten, welche die Versuch-und-Irrtum-Prozeduren aus der Welt schaffen, die derzeit Optimierung und Weiterentwicklung behindern. Eine Fertigung des ersten Satzes von passiven PhC-Bauelementen steht kurz vor dem Abschluss. Eine Reihe einbaubereiter, geordneter Quantenpunkt-Arrays werden derzeit detaillierten spektroskopischen Messungen unterzogen. Die Erkenntnisse aus SITELITE sind in den wichtigsten von Experten begutachteten, wissenschaftlichen Fachzeitschriften veröffentlicht worden. Mit der Platzierung einzelner Quantenobjekte an beliebigen Punkten einer Struktur aus photonischen Kristallen wird man eine neue Ära der photonische Bauelemente einläuten können. Potenzielle Anwendungsbereiche sind vielfältig und in der Optoelektronik ebenso wie in der Biomedizin oder im Energiesektor zu finden.

Schlüsselbegriffe

photonische Kristalle, Quantenpunkte, Nanoemitter, Kavitäten, verdünntes Nitrid

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21 Oktober 2020