Data: Piątek, 5 lutego 2010, 18:03

Pierwszy użyteczny laser z germanu

Naukowcy z MIT-u zaprezentowali pierwszy laser z germanu, który generuje fale światła o długości przydatnej w komunikacji. To jednocześnie pierwszy laser germanowy działający w temperaturze pokojowej.

German, w przeciwieństwie do wielu innych materiałów, może być łatwo wykorzystany we współczesnym przemyśle półprzewodnikowym. Ponadto, co niezwykle ważne, skonstruowanie wspomnianego lasera dowodzi, że, wbrew wcześniejszym przewidywaniom, półprzewodniki z pośrednim pasmem wzbronionym mogą posłużyć do produkcji laserów. To niezwykle ważny krok w kierunku budowy komputerów przesyłających dane, a niewykluczone że i dokonujących obliczeń, za pomocą światła w miejsce elektryczności.

We współczesnej elektronice wykorzystywane są takie półprzewodniki jak krzem, german czy arsenek galu. Ten ostatni jest materiałem o bezpośrednim paśmie wzbronionym. - W środowisku naukowym krążyła opinia, że materiały z pośrednim pasmem wzbronionym nigdy nie wygenerują światła laserowego - mówi Jurgen Michel z Electronic Materials Research Group, który brał udział w opracowaniu germanowego lasera. - Tego uczą w szkole - wtóruje mu profesor Lionel Kimerling, szef grupy badawczej.

Dzieje się tak dlatego, gdyż w półprzewodniku elektron znajdujący się paśmie przewodzenia może przyjąć jeden z dwóch stanów. W jednym z nich uwalnia energię w postaci fotonu, w drugim - w inny sposób, np. w postaci ciepła.

W materiałach o bezpośrednim paśmie wzbronionym stan, w którym emitowany jest foton, jest niższym stanem energetycznym. W półprzewodnikach o paśmie pośrednim, niższym stanem jest drugi z nich. Tak więc w sposób naturalny elektron emituje foton tylko w półprzewodnikach o paśmie bezpośrednim.

Naukowcom z MIT-u udało się jednak zmusić elektrony germanu do przejścia w wyższy, emitujący fotony, stan energetyczny.

Jedna z metod to wzbogacenie kryształu germanu o fosfor, który posiada pięć zewnętrznych elektronów, podczas gdy german ma ich cztery. Każdy atom fosforu daje zatem jeden dodatkowy elektron, który wypełnia niższy stan energetyczny powodując, że pobudzone elektrony germanu pozostają w stanie wyższym i emitują foton. Z wyliczeń uczonych wynika, że optymalny poziom domieszkowania germanu wynosi 1020 atomów fosforu na każdy centymetr sześcienny germanu. Obecnie udało im się opracować technologię, umożliwiającą na domieszkowanie na poziomie 1019 i już zaobserwowano emisję światła laserowego.

Drugim sposobem na zmuszenie elektronów germanu do przyjęcia wyższego stanu energetycznego jest zmniejszenie różnicy pomiędzy stanem wyższym a niższym, co zwiększa prawdopodobieństwo, iż elektrony znajdą się w wyższym stanie. Aby tego dokonać, uczeni rozciągnęli german umieszczając go w podwyższonej temperaturze na krzemie. Po schłodzeniu krzem nie skurczył się, a stygnące atomy germanu, próbując dopasować się do atomów krzemu, nieco zwiększyły odległości pomiędzy sobą. Odpowiednio manipulując kątem i odległościami wiązań atomowych, uczeni byli w stanie zmienić wartości poziomów energetycznych. Przy okazji, jak pochwalił się Kimerling, jego zespół wynalazł technikę umieszczania germanu na krzemie i kontrolowania całego procesu.

Mariusz Błoński