„Flüstergalerie-Moden“ in Silizium-Nanokegeln verstärken die Lumineszenz

Das Halbleitermaterial Silizium kann mit Hilfe von Nanostrukturierung ganz neue Talente entfalten. Dies zeigt nun ein Team am HZB-Institut „Nanoarchitekturen für die Energieumwandlung“ und am MPI für die Physik des Lichts. So geben Nanokegel aus Silizium nach Anregung mit sichtbarem Licht 200mal so viel Infrarotlumineszenz ab wie vergleichbar große Nanosäulen.  Modellierungen und experimentelle Ergebnisse zeigen: Die Kegel können durch ihre Geometrie Flüstergalerie-Moden für Infrarotwellen beherbergen, die die Silizium-Lumineszenz verstärken. Neue Anwendungen bis hin zu Nanolasern auf Siliziumbasis sind damit denkbar.

Silizium zählt zu den Standardmaterialien für Computerchips und Solarzellen. Doch obwohl die Eigenschaften von Silizium sehr gut bekannt sind,  gibt es bei Nanostrukturen doch Überraschungen. So hat nun ein Team um Prof. Dr. Silke Christiansen am HZB-Institut ‘ Nanoarchitekturen für die Energieumwandlung‘ sowie am MPI für die Physik des Lichts erstmals gezeigt, wie sich Licht in einem Nanokegel aus Silizium verhält. Ihre Modellrechnungen und Experimente  zeigen nun, warum diese geometrischen Strukturen weitaus besser als beispielsweise vergleichbar große Nanosäulen optisch zur Lumineszenz angeregt werden können. „Die Kegel wirken wie Flüstergalerien, nur nicht für Schall, sondern für Licht“, erklärt der Erstautor der Studie Sebastian Schmitt.  

Starke Lumineszenz in den Nanokegeln

Im Experiment bestrahlten Schmitt und sein Kollege George Sarau einzelne Nanosäulen und Nanokegel aus Silizium mit rotem Laserlicht  (660 Nanometer) und ermittelten die Strahlung, die die Probe als Lumineszenz zurückgab. Ohne Nanostrukturierung ist die Lumineszenz in Silizium sehr gering, da eine Anregung mit sichtbarem Licht in der Regel nicht dazu führt, dass Elektronen unter Abgabe von Infrarotlicht auf ihr ursprüngliches Niveau zurückfallen (indirekte Bandlücke).  Die Nanostrukturen dagegen wandeln einen weitaus größeren Teil des eingestrahlten Lichts in elektromagnetische Strahlung im nahen Infrarotbereich um, und dieser Effekt ist in den Nanokegeln 200mal stärker als in den Nanosäulen. „Dies ist die höchste Lumineszenz-Verstärkung, die je in einer Siliziumstruktur gemessen wurde“, sagt Schmitt. 

Flüstergalerien für das Licht

Dies kann das Team auch gut erklären: Denn mit numerischen Modellen lässt sich die Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen in den verschiedenen Geometrien einer Silizium-Nanostruktur berechnen. Dabei zeigt sich: Weil der Querschnitt im Nanokegel mit der Höhe zunimmt, gibt es mehrere Ebenen, in denen sich das Infrarotlicht konstruktiv überlagert und verstärkt, es bilden sich stehende Wellen aus, die eine erhöhte Anregung von Elektronen und damit Abgabe von Lumineszenz ermöglichen. Dieser Effekt ist in Fachkreisen als Purcell-Effekt bekannt: Wenn sich eine Lichtquelle in einem optischen Resonator befindet, steigt die spontane Emission von Licht an. Die Nanokegel sind demnach hervorragende Resonatoren, eben optische Flüstergalerien für das Licht.

Designregeln für Nanostrukturen

„Solche Nanostrukturen aus einzelnen Kegeln sind nicht schwierig herzustellen“, erklärt Schmitt. Als neue Bauelemente wären sie sehr gut in die vorherrschenden CMOS-Halbleitertechnologien integrierbar, zum Beispiel als Dioden, optoelektronische Schalter und Lichtsensoren. In Verbindung mit einem geeigneten optisch aktiven Medium könnten diese Strukturen sogar Laserlicht produzieren, vermuten die Physiker.  „Wir können aus solchen Erkenntnissen einfache Design-Regeln für Halbleiternanostrukturen ableiten, um die Anzahl und Wellenlängen der gespeicherten Moden zu kontrollieren und damit auch die Lumineszenz“, sagt Silke Christiansen.  

Die Arbeit ist im renommierten Fachjournal Scientific Reports  erschienen. DOI: 10.1038/srep17089
"Observation of strongly enhanced photoluminescence from inverted cone-shaped silicon nanostuctures"
Sebastian W. Schmitt, George Sarau & Silke Christiansen