Cooler Nanodrahtlaser

  • 22. November 2013

Optisch gepumpter Infrarotlaser aus Galliumarsenid strahlt bei Zimmertemperatur.

Die hochgewachsenen Nanodrähte mit einem Goldteilchen an der Spitze. Balkenlänge: 1 µm. Inset: Gut sichtbar ist der durch die Kristallstruktur bedingte hexagonale Querschnitt der Drähte (Balkenlänge: 100 nm; Bild: D. Saxena et al. / NPG)

Abb.: Die hochgewachsenen Nanodrähte mit einem Goldteilchen an der Spitze. Balkenlänge: 1 µm. Inset: Gut sichtbar ist der durch die Kristallstruktur bedingte hexagonale Querschnitt der Drähte (Balkenlänge: 100 nm; Klick für Großansicht in zusätzlichem Fenster; Bild: D. Saxena et al. / NPG)

Halbleiternanodrähte eröffnen dank ihrer geringen Größe und ihrer Integrierbarkeit interessante Möglichkeiten für die Elektronik und die Optoelektronik. So könnte man Nanodrahtlaser, die im nahen Infraroten strahlen und in Halbleiterschaltungen integriert sind, für die optische Datenübertragung oder die Spektroskopie nutzen. Doch anders als im sichtbaren oder UV-Bereich war im nahen IR der Fortschritt bei den Nanodrahtlasern bisher begrenzt. Jetzt ist es Forschern in Australien gelungen, einen infraroten GaAs-Nanodrahtlaser bei Zimmertemperatur zu betreiben.

Die Wissenschaftler um Chennupati Jagadish und Hoe Tan von der Australian National University in Canberra haben ihre „leuchtenden“ Nanodrähte durch goldkatalysierte chemische Gasphasenabscheidung hergestellt. Dazu ließen sie auf einer Unterlage aus Galliumarsenid mit Hilfe von 250 nm großen katalysierenden Goldteilchen GaAs-Nanodrähte aus einer gallium- und arsenhaltigen Gasphase hochwachsen. Diese Gebilde hatten die Form einer sechseckigen Säule und waren die Kerne der Nanodrahtlaser.

Anschließend wurden diese Kerne mit einer passivierenden Schicht aus Aluminium-Galliumarsenid umhüllt. Sie sollte später die schnelle Rekombination von elektronischen Anregungen verhindern, wie sie an freien GaAs-Oberflächen auftritt. Da Nanodrähte eine relative große Oberfläche haben, wäre mit einem nackten GaAs-Draht die für den Laserbetrieb nötige Anregungsdichte kaum zu erreichen gewesen. Schließlich fügten die Forscher als Oxidationsschutz eine kugelförmige Kappe aus GaAs hinzu. Die fertigen Nanodrähte waren 430 nm dick und zirka 6 µm lang.

Solch einen Draht brachen die Forscher an seiner Basis ab und legten ihn auf eine Unterlage aus Siliziumoxid, sodass er nun zwei freie Endflächen hatte. Sie bestrahlten ihn auf seiner ganzen Länge mit gepulstem grünem Laserlicht von 522 nm Wellenlänge und registrierten die von ihm wieder abgegebene Infrarotstrahlung unterhalb von 870 nm Wellenlänge, die der Bandlücke des GaAs-Kerns entsprach. Dabei erhöhten sie langsam die Intensität des grünen Pumplichts. Sie führten dieses Experiment sowohl bei tiefer Temperatur (6 K) als auch bei Zimmertemperatur (300 K) durch.

Für beide Temperaturen zeigte die abgegebene IR-Strahlung ein breites Maximum um 830 nm, das durch die Rückkopplung im Nanodrahtresonator verstärkt wurde. Dabei wirkten die beiden Enden des Nanodrahtes wie die Spiegel eines Resonators. Mit zunehmender Intensität des Pumplichts wuchs die Breite dieses Maximums zunächst an. Dafür war die Erwärmung des Nanodrahtes durch das Licht verantwortlich.

Doch für eine kritische Fluenz von 96 (bzw. 207) µJ cm-2 pro Puls schoss geradezu ein Intensitätsmaximum bei 830 nm hoch, das nur etwa 0,8 nm bzw. 1,8 nm (für 6 K bzw. 300 K) breit war. Der optisch gepumpte Nanodraht war in beiden Fällen zum Laser geworden. Bei Zimmertemperatur machten sich allerdings die thermische Verbreiterung und die höhere Ladungsträgerinjektion bemerkbar, die zur Erreichung der Laserschwelle nötig war.

Die von einem Nanodraht abgegebene IR-Strahlung unterhalb (links) bzw. oberhalb (rechts) der Laserschwelle. (Quelle: D. Saxena et al. / NPG)

Abb.: Die von einem Nanodraht abgegebene IR-Strahlung unterhalb (links) bzw. oberhalb (rechts) der Laserschwelle. (Quelle: D. Saxena et al. / NPG)

Auch die Intensitätsverteilung der vom Nanodraht abgegebenen IR-Strahlung änderte sich mit Überschreiten der Laserschwelle dramatisch (s. Abb.). Unterhalb der Schwelle strahlte der Draht schwach und vor allem durch die Endfläche, an der er abgebrochen worden war. An der anderen Endfläche blockierte das dort sitzende Goldnanoteilchen einen Teil der Strahlung. Oberhalb der Laserschwelle strahlte der ganze Draht sehr intensiv. Zudem wurden Interferenzstreifen sichtbar, die dadurch zustande kamen, dass die von den beiden Endflächen abgegebenen Lichtwellen interferierten.

Die Forscher sehen für ihren bei Zimmertemperatur arbeitenden GaAs-Nanodrahtlaser zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten etwa in der optischen Kommunikation, in ultraempfindlichen optischen Sensoren oder in der optischen Nahfeldmikroskopie. Durch geeignete Nanostrukturierung oder Verzweigung der Nanodrähte könnte man Laserstrahlen aufspalten. Außerdem lässt sich die Emission an den Enden der Drähte sehr gut in Glasfasern einkoppeln, wodurch sich die Drähte für kompakte „Lab-on-Chip“-Anwendungen eignen.

Rainer Scharf

OD

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