Zilveren zaagtand belangrijk voor op licht gebaseerde elektronica

RUG-natuurkundigen hebben een zilveren zaagtand met nanosleuven gebruikt om bij kamertemperatuur coherente fotoluminescentie te produceren in tweedimensionaal wolfraam disulfide. Tot nu toe was dat alleen mogelijk bij zeer lage temperaturen. Coherent licht is te gebruiken voor opslag en transport van informatie in kwantum elektronica. De plasmon-exciton hybride schakeling is verder belangrijk voor geïntegreerde nanofotonica (op licht gebaseerde elektronica). De resultaten zijn op 5 februari gepubliceerd in Nature Communications.

Wolfraam disulfide heeft interessante elektronische eigenschappen en het is beschikbaar in 2D vorm. ‘De elektronisch structuur van een monolaag wolfraam disulfide vertoont twee laagste energiepunten, of valleien’, vertelt Justin Ye, hoofd van de Device Physics of Complex Materials groep aan de RUG. Een mogelijke toepassing van het materiaal is in fotonica, omdat het licht kan uitzenden met vallei-afhankelijke circulaire polarisatie. Dit levert nieuwe mogelijkheden op om informatie te bewerken. Maar dit soort zogenoemde ‘vallei-elektronica’ vraagt om coherent gepolariseerd licht. Helaas blijkt uit eerder onderzoek dat fotoluminescentie in wolfraam disulfide bij kamertemperatuur niet coherent is.

Valleien

‘Wolfraam disulfide is uniek, omdat de twee valleien niet identiek zijn’, vertelt Ye. Dit betekent dat beide valleien coherent moeten reageren om lineair gepolariseerd licht te produceren via fotoluminescentie. ‘Maar door de verstrooiing tussen de valleien bij kamertemperatuur verdwijnt de coherentie. Alleen bij een temperatuur dicht bij het absolute nulpunt blijft er nog iets van over.’

Ye en zijn postdoc Chunrui Han (die nu werkt bij het Instituut voor Microelectronica van de Chinese Academie van wetenschappen) probeerden daarom een andere aanpak. Zij wilden lineair gepolariseerd licht maken met behulp van een plasmonisch metaoppervlak, dat de vorm heeft van een zaagtand met nanosleuven. Zo’n materiaal werkt sterk in op de wolfraam disulfide en brengt de resonantie van licht over naar het metaal in de vorm van een elektromagnetisch veld. ‘Het versterkt de interactie tussen licht en materiaal’, vertelt Ye.

Door een dun laagje zilver aan te brengen op een monolaag wolfraam disulfide is de lineaire polarisatie die door vallei-coherentie is geïnduceerd bij kamertemperatuur 27 procent. ‘Dit is al beter dan vallei-polarisatie die in voorgaande onderzoeken is bereikt bij zeer lage temperaturen’, aldus Ye. De lineaire polarisatie is op te hogen tot 80 procent door een zaagtand structuur te maken die de plasmonische resonantie beïnvloedt en daarmee de optische resonantie van het wolfraam disulfide. Dit betekent dat Ye en Han nu in staat zijn lineair gepolariseerde fotoluminescentie in dit materiaal kunnen opwekken.

Dit maakt het mogelijk om zowel de vallei-coherentie van wolfraam disulfide en de plasmonische coherentie van het metaoppervlak te gebruiken bij kamertemperatuur. De volgende stap is om het laserlicht dat de fotoluminescentie opwekt te vervangen door een elektrische input.

Referentie: Chunrui Han and Jianting Ye, Polarized resonant emission of monolayer WS2 coupled with plasmonic sawtooth nanoslit array. Nat. Commun. 5 februari