纳米晶体通过有效隧穿电子发光

利用先进的制造技术，加利福尼亚大学圣地亚哥分校的工程师用银晶体制造了一种纳米级器件，通过有效地“隧穿”电子穿过一个微小的屏障，可以产生光。这项工作使等离子体学研究更接近于实现用于高速光学数据处理和其他片上应用的超紧凑光源。

该装置通过称为非弹性电子隧穿的量子力学现象发光。在这个过程中，电子穿过一个它们不能经典交叉的固体屏障。在穿越时，电子会失去一些能量，在此过程中产生光子或声子。

等离子体激元研究人员一直对使用非弹性电子隧道技术创建具有大调制带宽的极小光源感兴趣。然而，因为只有一小部分电子可以非弹性地隧穿，所以光发射的效率通常很低 - 最多为百分之几百。

加州大学圣地亚哥分校的工程师们创造了一种能够将效率提高到大约2%的设备。加州大学圣地亚哥雅各布斯工程学院电气和计算机工程教授赵昭薇表示，虽然这还不够实用，但这是新型光源的第一步。

“我们正在探索一种新的发光方式，”刘说。

Liu的团队使用计算方法和数值模拟设计了新的发光器件。加州大学圣地亚哥雅各布斯工程学院纳米工程教授Andrea Tao实验室的研究人员使用先进的基于溶液的化学技术构建了该装置。

该装置是一种微小的蝴蝶结形等离子体纳米结构，由两个长方体，单晶银结合在一起。连接角是一个1.5纳米宽的绝缘体屏障，由一种叫做聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的聚合物制成。

这种微小的金属 - 绝缘体 - 金属(银 - PVP-银)结是发生作用的地方。连接到纳米晶体的电极允许将电压施加到器件。当电子从银纳米晶体的一角穿过微小的PVP势垒时，它们将能量转移到表面等离子体激元 - 沿着金属 - 绝缘体界面传播的电磁波 - 然后将该能量转换为光子。

但是，这种特殊结在非弹性隧穿电子方面更有效的原因是它的几何形状和极小的尺寸。通过将两个银色单晶在其角落处连接在一起，中间有一层微小的绝缘体，研究人员基本上创造了一种高质量的光学天线，具有高的局部光学状态密度，从而更有效地将电子能量转换为光。

金属 - 绝缘体 - 金属结在过去具有如此低的发光效率，因为它们是通过沿整个面而不是角落连接金属晶体而构造的，Liu解释说。他说，给电子提供一个具有更小间隙的高质量光学天线，通过隧道可以实现高效的光发射，而且这种结构很难用过去使用的纳米光刻方法制造。

“使用化学，我们可以构建这些精确的纳米结点，从而实现更高效的光发射，”Tao说。“我们使用的制造技术为我们的材料提供原子水平控制 - 我们可以根据我们使用的试剂决定溶液中晶体的大小和形状，我们可以创建具有原子级平面和极尖角的结构。”

通过额外的工作，该团队的目标是进一步提高效率，提高一个数量级。他们正在探索不同的几何形状和材料，以供将来研究。

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