Parantaa sähköoptista suorituskykyä III-V-puolijohteissa

Integroidusta fotoniikasta kvanttitietotieteeseen valon ohjaaminen sähkökentillä – tunnetaan sähköoptisena efektinä – on välttämätöntä sovelluksissa, kuten valon modulaatiossa ja taajuustransduktiossa.

Nämä komponentit perustuvat epälineaarisiin optisiin materiaaleihin, jotka mahdollistavat valoaaltojen tarkan manipuloinnin sähkökenttien avulla.

Tavanomaisilla epälineaarisilla optisilla materiaaleilla, kuten litiumniobaatilla, on suuret sähköoptiset vasteet, mutta niitä on vaikea integroida piilaitteisiin. Piin yhteensopivien materiaalien etsinnässä alumiiniskandiumnitridi (AlScN) on noussut etualalle.

AlScN:ää pidetään erinomaisena pietsosähköisenä - se pystyy tuottamaan sähköä paineen alaisena tai muuttamaan muotoaan sähkökentän vaikutuksesta. Sen ominaisuuksien hallinta ja sähköoptisten kertoimien parantaminen on kuitenkin jäänyt ratkaisematta. 

Nyt Chris Van de Wallen laskennallisten materiaalien ryhmän tutkijat UC Santa Barbarassa ovat löytäneet tavan säätää materiaalin atomirakennetta ja koostumusta sen suorituskyvyn parantamiseksi.

Heidän tutkimuksensa selittää, kuinka materiaalin atomirakenteen ja koostumuksen säätäminen voi parantaa sen suorituskykyä. Vahva sähköoptinen vaste vaatii suuren skandiumpitoisuuden - mutta skandiumatomien erityisellä järjestelyllä AlN-kidehilassa on merkitystä.

"Käyttämällä huippuluokan atomistista mallintamista havaitsimme, että skandiumatomien sijoittaminen säännölliseen ryhmään tiettyä kiteen akselia pitkin parantaa huomattavasti sähköoptista suorituskykyä", selitti laskelmia johtanut tohtoriopiskelija Haochen Wang.

Tämä löytö inspiroi tutkijoita tutkimaan niin kutsuttuja superhilarakenteita, joissa vuorotellen kerrostetaan atomisesti ohuita ScN- ja AlN-kerroksia.

Tämä lähestymistapa voidaan toteuttaa kokeellisesti kehittyneillä kasvutekniikoilla. He havaitsivat, että tarkasti suunnatut kerrosrakenteet todellakin tarjoavat merkittäviä parannuksia sähköoptisiin ominaisuuksiin.

Mielenkiintoista on, että tutkijat ymmärsivät myös, että jännitystä voidaan hyödyntää ominaisuuksien virittämiseksi lähellä "kultakukkokohtaa", jossa saavutetaan suurimmat sähköoptiset parannukset. Jännitys voi johtua ulkoisesti kohdistetusta jännityksestä tai se voidaan rakentaa materiaaliin huolellisesti suunniteltujen mikrorakenteiden avulla, mikä on nyt rutiinimenetelmä piiteknologiassa.

Huolellinen venymän viritys voi tuottaa AlScN:ssä sähköoptisen vaikutuksen, joka on jopa suuruusluokkaa suurempi kuin litiumniobaatissa, nykyisessä materiaalissa.

"Olemme innoissamme AlScN:n mahdollisuuksista työntää epälineaarisen optiikan rajoja", sanoi Van de Walle. "Yhtä tärkeää on, että tästä tutkimuksesta saadut oivallukset antavat meille mahdollisuuden tutkia systemaattisesti muita niin kutsuttuja heterorakenteisia metalliseoksia, joiden suorituskyky saattaa olla jopa parempi."

Aiheesta aiemmin:

Valon ohjelmointia sirulla