Lager miniatyrlasere i nanotråder

I en av labene på Institutt for elektroniske systemer ved NTNU står en stor maskin med mange forskjellige rør som stikker ut fra maskinkroppen. Noen av rørene er beskyttet av isolerende materiale, andre er surret inn i sølvpapir.

Inne i denne nye «MBE»-maskinen har det nylig skjedd et forskningsgjennombrudd. MBE står for molecular beam epitaxy.

• Les også: Denne maskinen lager superstoff som kan forandre verden

Spesielt supergitter

Vi skal inn i nanoteknologiens verden, hvor det opereres med kvantestrukturer og bestanddeler så små at de måles i milliarddels meter: én nanometer er lik 10^–9 m meter (en milliarddels meter). Et hårstrå er i snitt 100.000 nm tykt. Nanometer brukes ofte til måling av lysets bølgelengder, og det er nettopp lys og bølgelengder det dreier seg om her. Infrarødt lys.

NTNU-forskerne som har jobbet med disse ørsmå enhetene, har greid å fremstille en nanotråd med et helt spesielt supergitter: En miniatyrlaser i form av en nanotråd. Det er det regelmessige supergitteret som gjør denne miniatyrlaseren eksepsjonell.

– Utfordringen er å få supergitteret regelmessig og jevnt, slik at nanotråden lyser med samme bølgelengde hele veien. Vi har nå greid å fremstille dette spesielle supergitteret inne i nanotråden med den nødvendige regelmessigheten som kreves, sier professor Helge Weman. Han leder en forskningsgruppe som jobber med nanomaterialer.  

Sammen med kollegene professor Bjørn-Ove Fimland og Ton van Helvoort har Weman og forskningsgruppen de siste årene gjort flere forskningsgjennombrudd knyttet til nanotråder. I dette foreløpig siste gjennombruddet, er det stipendiatene Dingding Ren og Lyubomir Ahtapodov som har utført eksperimentene som har ledet frem til de lovende resultatene.

– De har svært god kontroll på dette, og det er kontrollen som er nøkkelen, sier Helge Weman om resultatene.

Nano Letters publiserte nylig en artikkel om forskningsfunnene.

Byggverk av atomer inne i nanotråden

En nanotråd er flere hundre ganger mindre enn et hårstrå. Inne i hver nanotråd har forskningsgruppen etablert seks supergitre som består av ti kvantebrønner hver. For å få til den regelmessige strukturen som danner supergitteret, har forskerne laget et helt spesielt byggverk med atomer.

Nanotrådene bygges («gros») ved å spraye på ulike typer atomer. Atomer fra grunnstoffene gallium og arsen har skapt grunnstrukturen, mens kvantebrønnene inneholder antimon atomer i tillegg.  Det er kombinasjonen av disse som har skapt supergitteret, inkludert halvledere som brukes til å lede strøm og lage lys. 

– Grunnstoffene er fra to ulike grupper i Det periodiske systemet: Gruppe III og gruppe V. Når vi blander atomer fra de to ulike gruppene, får vi det som kalles tre-fem halvledere. De er veldig godt egnet til å generere lys, forklarer Bjørn-Ove Fimland.

Slik skapes lys i en kvantebrønn

Ved å overføre energi til nanotråden med en såkalt «pumpelaser», kan elektroner frigjøres fra elektronskyen som omgir atomkjernene i nanotråden. De frigjorte elektronene vil vandre rundt – og mange av dem ramler ned i kvantebrønnene.  Elektronene har kun kort levetid, og energien fra dem omformes under visse omstendigheter til infrarødt lys.

Nå nærmer vi oss kjernen til denne nye miniatyrlaseren.

– Overskuddselektroner ramler ned i kvantebrønnene og skaper lys. Når elektronene ramler fra et nivå til et annet inne i brønnene, frigjøres energi som konverteres til infrarødt lys, forklarer Fimland.

Det infrarøde lyset består av fotoner – som er byggeklossene til alt lys. I dette tilfellet kloner fotonene hverandre, slik at de blir flere og flere helt identiske fotoner.

Endene av nanotråden fungerer som speil slik at lyset reflekteres og sendes fram og tilbake gjennom nanotråden. Det regelmessige supergitteret gjør at bølgelengden på lyset blir jevn, tydelig og skarp.

– Det som er karakteristisk for en laser, er at den lyser på en veldig klart definert bølgelengde. Vår laser ligger i det infrarøde området omkring 950 nanometer og har en veldig smal bølgebredde, sier Helge Weman.

Kan styre bølgelengden

Når lys sendes ut i en bestemt bølgelengde, kalles det lasing. Hvis man får alle kvantebrønnene til å lyse med samme bølgelengde, forsterkes hele lasingen. Og for å få til effektiv lasing, må kvantebrønnene være mest mulig like og regelmessige slik at lyset genereres likt opp og nede i nanotråden. Da forsterkes lyset hele veien.

– Seks lag med supergitter som inneholder ti kvantebrønner hver, utgjør til sammen 60 kvantebrønner som skal være så like som mulig. Utfordringen ligger i å få til dette, og det er det våre forskere nå har greid. Ingen har klart dette tidligere, sier Helge Weman.

I og med at forskerne har fått så god kontroll på prosessen med å gro frem nanotråder og bygge supergitter, kan de også styre og forandre bølgelengden på lyset. Ved å spraye inn mer antimon-atomer i brønnen, vil bølgelengden bli lengre og energinivået bli lavere.

– Man vet ikke alltid hvilken bølgelengde man kommer til å ha behov for i ulike applikasjoner. Derfor er det viktig å nettopp kunne styre og designe bølgelengdene ved å justere hvor mye antimon man tilfører under groingen av nanotråden, sier Weman.

Ikke for tynn, ikke for tykk

Når man jobber med så små strukturer, er det å ha kontroll på dimensjonene en viktig nøkkel. En av utfordringene er å skape nanotråder i riktig størrelse. Hvis de lages for små, vil lyset lekke ut. Og hvis de blir for tykke, blir ikke lyset konsentrert nok.

– Tykkelsen er ekstremt viktig når man lager lasere. Det å gro nanotråder i riktig tykkelse har vært et mål siden vi startet med å forske på dette i 2006. Våre nanotråder var ofte for små og tynne – men etter drøyt ti år har vi nå lyktes med å gro nanotråder i riktig dimensjon, konstaterer Weman.

Hva kan man bruke miniatyrlaseren til?

– Når man ser fremover mot fremtidens elektronikk, tenker man at info skal overføres via optiske laserimpulser i stedet for en transistor. Da må man ha svært små laserkilder, og vår miniatyrlaser er et steg på veien dit, sier Weman.

– Det andre som vi tror vil være interessant, er innen medisinske anvendelser. Man trenger ekstremt små laserkilder for å kunne påvirke celler eller molekyler. For eksempel vil man kunne gjøre spektroskopi med en oppløsning som er enda bedre enn man kan gjøre med en vanlig laser som brukes i dag.

Neste mål for nanoforskerne er å få etablert og finansiert et større prosjekt, slik at de kan ta forskningen på miniatyrlasere ett skritt videre.

– Man kan nok ennå ikke forestille seg hvor det trengs. Sånn var det også i begynnelsen da de første laserne kom. Man så ikke for seg alle anvendelsesområdene fordi anvendelsen ennå ikke var oppfunnet, sier Helge Weman og legger til at det fortsatt gjenstår mye grunnforskning.

Det største målet som gjenstår, er å injisere elektronene i laseren med elektrisk strøm. Da kommer forskerne et langt skritt nærmere anvendelse.

Post.doc Lyubomir Ahtapodov og professor Helge Weman tester bølgelengden, eller emisjonsspekteret, til minitatyrlasere:

• Les også: Nanokunnskap gir supersolceller