News: Laserlicht aus Nanodrähten
Vor zwei Jahren stellten Forscher erstmals einen Laser aus einer einzelnen Licht leitenden Faser vor - tausendmal dünner als ein menschliches Haar. Damals bedurfte es noch eines zweiten Lasers, um die Faser zum Strahlen zu bewegen. Das ist nun nicht mehr nötig.
© (Ausschnitt)
Ob moderne Unterhaltungselektronik oder Telekommunikationstechnik – ohne leistungsfähige Halbleiterlaser müssten wir wohl auf einiges verzichten. Doch wenngleich die Erfindung des Diodenlasers bereits auf das Jahr 1962 zurückgeht, so fanden Wissenschaftler bis heute keinen einfachen und günstigen Weg, Laserdioden in andere elektronische Bauelemente der Halbleitertechnologie zu integrieren.
Aber vielleicht gelingt dergleichen mit Drähten von gerade mal einigen Dutzend Nanometern Dicke. Denn diese konnten Xiangfeng Duan und seine Kollegen von der Harvard University im amerikanischen Cambridge bereits vor zwei Jahren zur Emission von Laserlicht anregen. Allerdings war das nur möglich, indem sie das Zinkoxid, aus dem die Drähte bestanden, seinerseits mit Laserlicht beschienen. Denn nur durch dieses optische Pumpen konnten die Wissenschaftler das Material in jenen angeregten Zustand versetzen, der Grundbedingung eines jeden Lasers ist.
Dass es prinzipiell auch anders geht, zeigt jedoch jede Laserdiode. Denn hier wird die Energie gänzlich vom elektrischen Strom geliefert. Dieser sorgt dafür, dass sowohl positive als auch negative Ladungsträger in die aktive Zone des Lasermaterials wandern. Dort können sich dann die Elektronen (negativ) mit den Löchern (positiv) vereinigen, wobei die dabei frei werdende Energie in Form eines Photons emittiert wird.
Ähnliches probierten nun Duan und seine Mitstreiter mit ihren Nanodrähten. So legten die Forscher einen Elektronen-dotierten Cadmiumsulfid-Draht senkrecht über ein mit Löchern versetzten Draht aus Silicium. Nach Anlegen einer geeigneten Spannung über diesem Drahtkreuz konnten die Wissenschaftlern tatsächlich sowohl an dem Kreuzungspunkt wie auch an den Enden des CdS-Drahts Elektroluminszenz beobachten – also eine Leuchterscheinung infolge des Stromflusses. Der Schein an den Enden des Drahtes war deshalb zu sehen, da Cadmiumsulfid ein guter Lichtwellenleiter ist. Um Laserlicht handelte es sich hierbei jedoch noch nicht. Dazu war unter anderem die Intensität noch viel zu schwach.
Doch mit einem abgewandelten Aufbau sollte es schließlich gelingen: Duan und Co brachten den dünnen Draht nun direkt auf einer stark Loch-dotierten Silicium-Unterlage auf. Dann schieden sie über Draht und Unterlage eine dünne, isolierende Schicht eines Metalloxids ab, wobei sie ein Ende des Drahtes frei ließen und auch dessen Flanken nicht vollständig mit der Isolierschicht bedeckten. Denn nur so ließ sich ein leitender Kontakt zu einer weiteren, darüber aufgebrachten Schicht aus elektrisch leitfähigem Gold herstellen.
Über diese Gold-Schicht und die ganz unten liegende Silicium-Schicht konnten die Forscher anschließend Strom durch den CdS-Draht fließen lassen – und so über die ganze Länge des Röhrchens Licht erzeugen. Und dabei zeigte sich, dass das Röhrchen tatsächlich oberhalb von 200 Mikroampere Stromfluss Laserlicht zu emittieren begann. Denn die Lichtintensität machte ab diesem Wert einen deutlichen Sprung. Außerdem war das abgestrahlte Spektrum auf einen engen Wellenlängenbereich um 509,6 Nanometer begrenzt. Ein derart schmaler spektraler Bereich ist typisch für Laserlicht. Normale Dioden oder gar Glühlampen emittieren hingegen über einen deutlich größen Bereich des elektromagnetischen Spektrums.
Duan und seinen Kollegen ist es also gelungen, einen Nanometer dünnen Faserlaser zu bauen, der sich rein elektrisch betreiben lässt. Zugleich konnten sie auch zeigen, dass sich der Laser gut mit Silicium versteht, sodass sich dieses Bauelement vermutlich verhältnismäßig einfach in herkömmliche Halbleiterelektronik integrieren lässt. Über Anwendungsmöglichkeiten des Winzlings brauchen sich die Forscher also sicherlich nicht den Kopf zu zerbrechen. Vom Einsatz für medizinische Zwecke, über Möglichkeiten in der Telekommunikation bis hin zu miniaturisierten Analysegeräten gibt es unzählige potenzielle Anwendungsgebiete.
Aber vielleicht gelingt dergleichen mit Drähten von gerade mal einigen Dutzend Nanometern Dicke. Denn diese konnten Xiangfeng Duan und seine Kollegen von der Harvard University im amerikanischen Cambridge bereits vor zwei Jahren zur Emission von Laserlicht anregen. Allerdings war das nur möglich, indem sie das Zinkoxid, aus dem die Drähte bestanden, seinerseits mit Laserlicht beschienen. Denn nur durch dieses optische Pumpen konnten die Wissenschaftler das Material in jenen angeregten Zustand versetzen, der Grundbedingung eines jeden Lasers ist.
Dass es prinzipiell auch anders geht, zeigt jedoch jede Laserdiode. Denn hier wird die Energie gänzlich vom elektrischen Strom geliefert. Dieser sorgt dafür, dass sowohl positive als auch negative Ladungsträger in die aktive Zone des Lasermaterials wandern. Dort können sich dann die Elektronen (negativ) mit den Löchern (positiv) vereinigen, wobei die dabei frei werdende Energie in Form eines Photons emittiert wird.
Ähnliches probierten nun Duan und seine Mitstreiter mit ihren Nanodrähten. So legten die Forscher einen Elektronen-dotierten Cadmiumsulfid-Draht senkrecht über ein mit Löchern versetzten Draht aus Silicium. Nach Anlegen einer geeigneten Spannung über diesem Drahtkreuz konnten die Wissenschaftlern tatsächlich sowohl an dem Kreuzungspunkt wie auch an den Enden des CdS-Drahts Elektroluminszenz beobachten – also eine Leuchterscheinung infolge des Stromflusses. Der Schein an den Enden des Drahtes war deshalb zu sehen, da Cadmiumsulfid ein guter Lichtwellenleiter ist. Um Laserlicht handelte es sich hierbei jedoch noch nicht. Dazu war unter anderem die Intensität noch viel zu schwach.
Doch mit einem abgewandelten Aufbau sollte es schließlich gelingen: Duan und Co brachten den dünnen Draht nun direkt auf einer stark Loch-dotierten Silicium-Unterlage auf. Dann schieden sie über Draht und Unterlage eine dünne, isolierende Schicht eines Metalloxids ab, wobei sie ein Ende des Drahtes frei ließen und auch dessen Flanken nicht vollständig mit der Isolierschicht bedeckten. Denn nur so ließ sich ein leitender Kontakt zu einer weiteren, darüber aufgebrachten Schicht aus elektrisch leitfähigem Gold herstellen.
Über diese Gold-Schicht und die ganz unten liegende Silicium-Schicht konnten die Forscher anschließend Strom durch den CdS-Draht fließen lassen – und so über die ganze Länge des Röhrchens Licht erzeugen. Und dabei zeigte sich, dass das Röhrchen tatsächlich oberhalb von 200 Mikroampere Stromfluss Laserlicht zu emittieren begann. Denn die Lichtintensität machte ab diesem Wert einen deutlichen Sprung. Außerdem war das abgestrahlte Spektrum auf einen engen Wellenlängenbereich um 509,6 Nanometer begrenzt. Ein derart schmaler spektraler Bereich ist typisch für Laserlicht. Normale Dioden oder gar Glühlampen emittieren hingegen über einen deutlich größen Bereich des elektromagnetischen Spektrums.
Duan und seinen Kollegen ist es also gelungen, einen Nanometer dünnen Faserlaser zu bauen, der sich rein elektrisch betreiben lässt. Zugleich konnten sie auch zeigen, dass sich der Laser gut mit Silicium versteht, sodass sich dieses Bauelement vermutlich verhältnismäßig einfach in herkömmliche Halbleiterelektronik integrieren lässt. Über Anwendungsmöglichkeiten des Winzlings brauchen sich die Forscher also sicherlich nicht den Kopf zu zerbrechen. Vom Einsatz für medizinische Zwecke, über Möglichkeiten in der Telekommunikation bis hin zu miniaturisierten Analysegeräten gibt es unzählige potenzielle Anwendungsgebiete.
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